águas - A Graça da Química

Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Instituto de Química
Área de Educação Química
ÁGUAS
Cesar Valmor Machado Lopes
Odone Gino Zago Neto
Verno Krüger (organizador)
AGRADECIMENTOS
Agradecemos, de forma especial, o valioso auxílio das seguintes
pessoas: Tânia Miskinis Salgado, Edni Oscar Schröder e José Claudio Del
Pino, pela leitura crítica e sugestões feitas; Rochele Quadros e Marcelo
Eichler pela digitação e editoração eletrônica dos originais.
ii
ÍNDICE
Apresentação.................................................................................
iv
Capítulo 1: A Estrutura da Água
1.1. A água: do elemento à substância.............................................. 01
1.2. Investigando algumas propriedades da água..............................
14
1.3. A estrutura da molécula de água e a relação com suas
propriedades............................................................................
22
Capítulo 2: A Água da Chuva
2.1. Introdução................................................................................ 37
2.2. Chuva normal........................................................................... 37
2.3. Chuva ácida.............................................................................
40
Capítulo 3: Tratamento da Água
3.1. Terra: o planeta água................................................................ 81
3.2. A qualidade física da água potável............................................ 99
3.3. Características químicas da água potável.................................. 103
3.4. A poluição das águas................................................................ 116
iii
APRESENTAÇÃO
A contextualização do ensino de Química, tanto no 1º como no 2º Graus, é
um dos objetivos da Área de Educação Química do Instituto de Química de
Univerdidade Federal do Rio Grande do Sul (AEQ-UFRGS). Acredita-se que a
inserção dos conteúdos de Química na realidade dos alunos seja uma das formas
de motivá-lo para o estudo, pois estabelece, conforme Ausubel, uma ponte
cognitiva entre os conhecimentos prévios, já presentes nas estruturas cognitivas
do sujeito, e os novos conhecimentos, o que favorece a aprendizagem
significativa.
Para a concretização dos propósticos de uma aprendizagem significativa, é
necessário um material instrucional elaborado com estes objetivos e que possa
servir de subsídio para professores e alunos.
Com este objetivo é apresentado o trabalho ÁGUAS, composto por três
partes.
Na primeira parte, A ESTRUTURA DA ÁGUA, são discutidos alguns
conceitos fundamentais da Química a partir das características da molécula de
água: modelos atômicos, modelos de ligação química, propriedades físicas e
químicas das substâncias, forças intermoleculares, etc. A metodologia procura
privilegiar as atividades de laboratório como fonte de dados para a discussão das
questões propostas.
Já na segunda parte, A ÁGUA DA CHUVA, são desensenvolvidos
conteúdos relacionados com a água da chuva e a poluição aérea:soluções, reações
iv
ácido-base, força de ácidos e bases, condutibilidade elétrica em soluções, pH,
chuva ácida, etc.
Por sua vez, na terceira parte, o enfoque principal é dado ao
TRATAMENTO DA ÁGUA, onde são abordados, por exemplo, os seguintes
assuntos: ciclo hidrológico, componentes inorgânicos e seus efeitos sobre a saúde,
águas superficiais e subterrâneas, características físicas e químicas da água
potável, dureza e poluição das águas.
Acreditamos, com a publicação deste material, estar oferecendo a
professores e alunos subsídios para uma metodologia alternativa, que entendemos
superior à tradicional, para o ensino e a aprendizagem de alguns conceitos
fundamentais da Química, relacionadas à substância básica da vida: a ÁGUA.
v
1 - A ESTRUTURA DA ÁGUA
Escrito por Verno Krüger
A água exerceu, ao longo dos tempos, grande atração sobre o homem.
Está presente em todas as partes de nosso planeta e das mais diferentes formas. É
fundamental para a vida.
No início a água foi considerada um dos quatro elementos formadores da
natureza. Sua associação com os outros elementos primordiais (terra, fogo e ar)
gerava características bem definidas para as substâncias que formava (frio,
úmido, etc).
Com o desenvolvimento do conhecimento científico, a água passou a ser
entendida como uma substância cujas características se originavam a partir da
associação de dois elementos: oxigênio e hidrogênio. As explicações sobre a
natureza desta associação acompanharam a evolução do conhecimento científico.
Hoje, ainda, muitos aspectos do comportamento da água continuam
sendo estudados, refletindo o papel fundamental que continua desempenhando na
história do Homem sobre a Terra.
1.1 - A água: de elemento a substância
Desde a aurora dos tempos, a água está associada a preocupações
"científicas" do "de onde viemos?", "por que somos assim?", "como as coisas
aconteceram?".
A Bíblia, no Genesis, provavelmente se referindo a antigas lendas
sumérias, menciona a criação do mundo e da vida a partir das águas, ou seja,
destaca a água como elemento primordial a partir do qual se separou a terra e
onde se gerou a vida, alusão provável aos líquidos seminal e amniótico.
A idéia do papel primeiro da água no processo de criação do universo se
transmite à filosofia grega, antecessora de todo o pensamento ocidental.
Tales de Mileto (624 a 546 a.C.), que inicia a linhagem dos grandes
filósofos gregos da natureza, consagra a água como o princípio criador de tudo,
ou matéria primeira, a partir da qual se separam posteriormente a terra, o ar e os
seres vivos. A Terra, segundo suas concepções, flutuaria sobre uma imensidão de
água.
A s i d é i a s d e T a l e s f o r a m a p e r f e i ç o a d a s p o r s e u s s e g u idores,
principalmente Empédocles (495 a 435 a.C.), que imagina todas as coisas criadas
1
a partir de quatro elementos fundamentais: terra, ar, água e fogo, relacionadas
pela qualidades "amor" e "ódio".
Em outra vertente, Leucipo (500 a 400 a.C., aproximadamente) concebe
o mundo criado a partir de uma partícula universal, indivisível, se movimentando
no vácuo: o átomo. Seus discípulos Demócrito (460 a 370 a.C.) e Epicuro (341 a
270 a.C.) sustentaram esta idéia afirmando ser o universo formado por inúmeras
pequenas partículas indivisíveis que se moviam no vazio.
As concepções de Empédocles encontraram continuidade em Platão (427
a 347 a.C.) e, principalmente, em Aristóteles (384 a 322 a.C.) que aperfeiçoaram
a idéia dos quatro elementos formadores do universo, também chamados por eles
de "princípios": ar, água, terra e fogo (veja a Figura 1-1). Associaram a eles quatro qualidades: quente, frio, seco e úmido. Como novidade, introduziram um
quinto elemento relacionado ao vazio: o éter ou quintessência.
A filosofia de Aristóteles fundamentou a Alquimia, principal
característica da Química na Idade Média, na medida em que previa a
transferência das "qualidades" supostas para os quatro elementos, de uma
substância a outra, dando suporte assim à transmutação.
A concepção de natureza de Aristóteles foi assumida pela Igreja Católica
e forneceu explicações do mundo até pelo menos o Século XVII da Era Cristã.
Figura 1-1: Os elementos de Aristóteles
2
ATIVIDADES
J
1) Caracterize o mundo grego da Antigüidade, relacionando-o
com a cosmovisão aceita no período.
2) Faça um esquema seqüencial dos filósofos gregos, destacando a
idéia fundamental de cada um deles a respeito do universo.
3) Diferencie a concepção de Aristóteles da concepção de Demócrito.
Sugestões para consulta:
a) Andery, Maria Amélia et ali. Para compreender a ciência.
b) Arruda, J.J. História antiga e medieval.
c) Burus, E. História da Civilização.
d) Daupler, William. História da Ciência.
As mudanças das concepções sobre a água iniciaram com a realização de
diversos experimentos, cujos resultados contribuiram para a evolução das
concepções sobre a estrutura da matéria.
As atividades a seguir apresentadas são exemplos de experimentos cujos
resultados vem ratificar aqueles que promoveram uma reformulação dos
conceitos científicos aceitos até então.
EXPERIÊNCIA No1
Coloque num tubo de ensaio uma ponta de espátula de permanganato
de potássio (KMnO4). Inclinando-o a 45 o, segure por uma pinça e
aqueça o conjunto.
Após o derretimento do sal, coloque um palito de picolé em brasa
dentro do tubo de ensaio, sem no entanto encostar no sal.
a) O que se observa na superfície do sal derretido?
b) O que se observa no palito de madeira? O que se pode dizer?
Repita a experiência anterior colocando junto ao sal derretido um pedaço
de carvão. O que se observa neste caso?
I
3
EXPERIÊNCIA No2
Coloque num tubo de ensaio uma pitada de nitrato de potássio (KNO3)
e, sobre o sal, coloque um pedaço de carvão. Aqueça o sistema, segurando o tubo
de ensaio a 45o com uma pinça. Anote suas observações.
EXPERIÊNCIA No3
Coloque num tubo de ensaio uma pitada de sal de cozinha (NaCl, cloreto
de sódio) e sobre o sal coloque um pedaço de carvão. Aqueça o conjunto de modo
semelhante ao feito nos experimentos anteriores. Anote suas observações.
O gás liberado nestes aquecimentos já foi estudado e caracterizado no
Século XVIII:
a) Bayen (1725-1792), estudando a decomposição do óxido mercúrico
vermelho observou que, ao lado da produção do mercúrio metálico, havia a
liberação de um gás chamado por ele de "ar fixo".
b) Scheele (1742-1786), em 1772, por aquecimento do dióxido de
mangânes (MnO2) com ácido sulfúrico (H2SO4), constatou a formação de um
novo gás que chamou "ar de fogo" ou "aer vitriolicus", pois formava-se na reação
com H2SO4, então chamado de "ácido vitriólico."
c) Joseph Priestley (1733-1804) constatou que o "ar" liberado nestas
reações alimenta a combustão.
d) Lavoisier (1743-1804), com base nos estudos deste gás, formulou uma
teoria da combustão onde ele era a parte essencial, o que provocou a derrocada da
"teoria do flogisto".
Que gás é um dos produtos destas reações? Por quê?
Verifique as reações químicas que ocorreram nas experiências feitas e
confirme a sua hipótese:
2 KMnO4 ⇒ K2O + 2 MnO2 + 3/2 O2
KNO3 ⇒ KNO2 + 1/2 O2
Procure outras características do oxigênio além das que você observou
nas experiências.
EXPERIÊNCIA No4
Coloque um prego lixado (ou um pedaço de zinco) em um tubo de ensaio
e adicione HCl até cobrí-lo.
a) Observe o que acontece na superfície do prego.
4
b) Aproxime cuidadosamente um palito de fósforo aceso da boca do tubo
de ensaio. Descreva suas observações.
Já em 1489 um químico alemão, Sulzbach, observou reações
semelhantes e descreveu o gás liberado como "espírito".
Boyle (1627-1691) fez as primeiras observações científicas acerca do
gás, enquanto que em 1766 Henry Cavendish (1731-1810) descreve as suas
propriedades a partir da reação de ácidos com metais e o chamou de "ar
combustível". Constatou que o "ar desflogisticado" (oxigênio) reagia com "ar
combustível" produzindo água.
Você misturou ferro (prego) com HCl. Que gás foi produzido?
Fe + HCl ⇒###
Procure outras caraterísticas do hidrogênio.
Os fenômenos elétricos estudados por Galvani no Século XVIII foram
imediatamente utilizados nos estudos de Química, originando-se daí um ramo
extremamente importante denominado Eletroquímica. Estes novos estudos
tiveram em Faraday um de seus expoentes, após a dedução de suas leis,
relacionando quantidade de eletricidade e quantidade de matéria decomposta.
A água, como substância fundamental da natureza, foi imediatamente
submetida a experiências envolvendo fenômenos elétricos.
Troostwijk e Deimann realizaram em 1786 a primeira eletrólise da água
utilizando uma "máquina de eletrização".
Com a construção da pilha de Volta em 1800, foi ela imediatamente
utilizada por Nicholson e Carlisle para a realização da eletrólise da água.
Os estudos das substâncias, pela eletrólise, tiveram um grande
incremento a partir da generalização do uso das pilhas (de Daniell, de Bunsen,
etc.) e acrescentaram fundamentais informações aos conhecimentos científicos da
época.
EXPERIÊNCIA No5: Eletrólise da água
(Extraída de Coch et alii)
Corte uma garrafa de plástico mais ou menos a 10 cm de sua base. Faça
dois furos no fundo, distantes entre si cerca de 8 cm. Introduza dois eletrodos de
carvão (podem ser retiradas de pilhas velhas). Deixe a ponta de cada um deles
para fora, cubra o fundo (cerca de 2 cm de altura) com cera de uma vela.
Certifique-se de que não há vazamento pelos furos.
5
Conecte estes eletrodos a um conjunto de pilhas, conforme mostra a
Figura 1-2. O eletrodo ligado ao pólo positivo da pilha chama-se ânodo e o
eletrodo ligado ao pólo negativo da pilha chama-se cátodo.
Sobre os eletrodos coloque duas seringas, cujas pontas foram
previamente fechadas com Araldite, cheias de água. Prenda-as bem.
Figura 1-2: Eletrólise da água
Após ligado o circuito, o que se verifica?
Adicione agora um pouco de soda cáustica (NaOH) ou ácido sulfúrico
(H2SO4). No momento da conexão das pilhas aos eletrodos, meça os tempos
necessários para a produção de volumes de gases no cátodo e no ânodo e registreos na Tabela 1-1.
Tabela 1-1: Volumes de gases produzidos no cátodo e ânodo, em função
do tempo.
V(mL) do gás no
cátodo
V(mL) de gás no
ânodo
1
6
Tempo (s)
2
3
4
5
Represente em um gráfico o volume de gás produzido em função do
tempo, para ambos os gases.
Volume
de
gás (mL)
t(s)
Teste agora os gases formados em cada eletrodo.
Naquele onde houve maior produção de gás, cuide para não virar o tubo
de boca para cima ao retirá-lo do eletrodo. Faça-o somente quando aproximar um
palito aceso do tubo de ensaio.
Anote suas observações.
No tubo onde se formou a menor quantidade de gás, retire-o do eletrodo
e o mantenha inclinado num ângulo de 45o. Introduza um palito em brasa no seu
interior. O que se observa?
Comparar, com base no gráfico, para tempos dados, as quantidades
obtidas de cada gás.
7
Qual a relação entre as quantidades de hidrogênio e de oxigênio
produzidas?
O que se pode concluir a respeito?
Pode-se utilizar a corrente elétrica de nossas casas para realizar a
eletrólise? Por quê?
A água é um elemento indivisível, como proposto pelos gregos, ou é
uma substância formada por outros elementos? Quais? Em que proporção? Por
quê?
A eletrólise da água, a determinação de seus constituintes e a proporção
em que estes se combinavam foram um importante suporte para a Teoria Atômica
de Dalton.
Utilizando água, de diferentes procedências e decompondo-a pela ação
da eletrólise, obteve-se os dados que constam na Tabela 1-2. Com base nos dados
desta tabela, responda:
a) Quais são os reagentes e quais os produtos do processo acima?
Equacione-o.
b) Somando a massa dos reagentes com a massa dos produtos, o que se
verifica? Isto está de acordo com qual lei?
c) Qual a relação matemática existente entre as três variáveis da tabela
acima? Explique.
d) Calcule a relação massa de água/massa de oxigênio, massa de
água/massa de hidrogênio e massa de oxigênio/massa de hidrogênio. O que se
conclui?
e) Estabeleça a proporção entre as três variáveis, dividindo todas elas
pelo menor valor de uma mesma experiência. Qual a conclusão?
Estas comprovações originaram a Lei de Proust, que foi um dos
precursores da Teoria Atômica de Dalton.
f) O que estes dados revelam a respeito da constituição da matéria, no
caso, a água? Que dados qualitativos e quantitativos se podem extrair da Tabela
1-2? Explique.
Tabela 1-2: Resultados da eletrólise de diferentes quantidades de água.
Massa de água
usada (g)
Massa de Oxigênio
produzida (g)
8
Massa de Hidrogênio
produzida (g)
4,5
4,0
0,5
9,0
8,0
1,0
18,0
16,0
2,0
100,0
88,9
11,1
450,0
400,0
50,0
A Teoria Atômica de Dalton de 1803 fez ressurgir, com base nos fatos
experimentais das leis de Lavoisier, Proust e do próprio Dalton, a idéia de átomo
de Leucipo e Demócrito, numa teoria consistente com fatos experimentais até
então não explicados.
Os principais postulados da Teoria de Dalton eram:
• Toda a matéria é formada por átomos indivisíveis.
• Eles não podem ser criados nem destruídos ou serem
transformados uns nos outros.
• Elementos químicos são formados por átomos simples e substâncias
por "átomos compostos", a partir de elementos diferentes, em uma
relação numérica simples.
• Átomos de um mesmo elemento são idênticos entre si em tamanho,
forma, massa e demais propriedades, não o sendo em relação aos átomos de
elementos diferentes.
• Toda a reação química consiste na união ou separação de átomos,
havendo repulsão entre átomos iguais e atração entre átomos diferentes.
9
Figura 1-3 : Símbolos criados por Dalton para alguns
elementos.
Baseando-se na Teoria Atômica de Dalton, a água poderia continuar
sendo considerada um elemento? Por quê?
As "relações numéricas simples" foram transformadas por Dalton na
"regra da máxima simplicidade" com dois pressupostos arbitrários:
• Em caso de uma só substância conhecida de dois elementos, admitia
a proporção 1:1 de combinação.
• Em caso de haver vários compostos formados pelos elementos
admitia, com base nas massas reagentes, as fórmulas mais simples (1:1,
2:1, 1:2, etc.)
Como naquela época já se conhecia a água como composto formado
pelo hidrogênio e oxigênio, qual a fórmula proposta por Dalton?
Sua teoria atômica, embasada nas leis das reações químicas, postulava
massas diferentes para átomos diferentes. Havia então a necessidade de se
buscarem métodos para a determinação destas massas. Como um átomo não
podia ser pesado e como se conheciam as proporções em que as substâncias se
combinavam, resolveu arbitrariamente escolher um padrão em relação ao qual as
demais massas atômicas pudessem ser determinadas. Esta escolha recaiu sobre o
hidrogênio que, por ser o átomo mais simples, teve sua massa fixada em 1.
Devido aos erros experimentais, as proporções verificadas na época de
Dalton não são as admitidas hoje. Por esta razão as massas atômicos não
correspondem ao seu valor atual (veja Tabela 1-3).
10
É importante destacar que Dalton publicou, já em 1805, a primeira
relação de massas atômicas, tendo por base o hidrogênio (suposto como tendo
massa 1) e a partir de pressupostos arbitrários já
vistos anteriormente.
Devido ao seu grande prestígio, as idéias de
Dalton permaneceram aceitas pelo mundo científico
por cerca de 50 anos, embora já a partir de 1808
começassem a ser divulgad o s f a t o s e i d é i a s
contraditórias às suas teorias. Naquele ano Joseph
Louis Gay-Lussac observou que, nas mesmas condições de temperatura e pressão, as reações
químicas dos gases se processam na mesma
proporção volumétrica.
Estas observações contradiziam a teoria de
Dalton pois, entre outras coisas, não se conseguia
entender a contração de volume. Segundo Dalton,
volumes iguais deveriam ter o mesmo número de
Joseph Louis Gayátomos.
Lussac
Esta contradição foi esclarecida em 1811 por
Amadeo Avogadro, com a idéia do conceito de
(1778-1850)
molécula. Para ele, molécula era a menor porção de
matéria de uma substância e átomo, a menor porção
capaz de existir isoladamente.
Tabela 1-3: Tabela de átomos e moléculas de Dalton (1805).
Átomos
ou
Moléculas
Massas
determinadas
por Dalton
Massas
conhecidas
atualmente
H
1
1
N
5
14
C
5
12
11
O
7
16
P
9
31
S
13
32
Ca
23
40
Na
28
23
H2O
8
18
NH3
6
17
C2H4
6
28
CO2
19
44
SO3
34
80
C2H5OH
16
46
CH3COOH
26
60
12
Amadeo Avogadro
(1776-1856)
Esta idéia foi expressa por Gay-Lussac através
de uma lei: "Volumes iguais de quaisquer gases
contém o mesmo número de moléculas."
As idéias de Avogadro foram reforçadas em
1858 por Canizzaro, apesar da forte oposição de
Dalton que, por seu prestígio junto ao mundo
científico, impediu por longo tempo a aceitação
destas idéias.
O Congresso de Química de Karlsruhe, em
1869, provocou a difusão das idéias de Avogrado
através de Canizzaro.
Esta aprovação promoveu a sua aceitação
definitiva pelo mundo científico.
Na sua aplicação à água, ficou definitivamente
estabelecida a fórmula H 2O, como admitido até
hoje.
Nesse caso, para que os dados volumétricos
fiquem compatíveis com os moleculares, e adicionando as informações sobre o gás hidrogênio, podemos deduzir que:
1) A molécula de água deve conter no mínimo dois átomos de
hidrogênio;
2) A molécula de oxigênio deve conter um número par de átomos;
3) Na molécula de água, a proporção entre o número de átomos de
hidrogênio e oxigênio deve ser, respectivamente, 2:1.
Portanto, temos que supor, por exemplo, que a fórmula do oxigênio seja
O2, do hidrogênio H2 e que a da água seja H2O.
Veja no esquema abaixo:
2 Volumes de
Hidrogênio
+
1 Volume
de Oxigênio
13
⇒
2 Volumes de Vapor
D'Água
Usando o princípio de Avogrado, podemos escrever:
2X Moléculas de
Hidrogênio
+
1X Molécula
de Oxigênio
⇒
2X Moléculas de
Vapor D'Água
Dividindo todos os valores por 'X', obtemos:
2 Moléculas de
Hidrogênio
+
1 Molécula
de Oxigênio
⇒
2 Moléculas de
Vapor D'Água
Desta forma, os dados experimentais e as teorias deles decorrentes
fizeram com que, no final do Século XIX, fosse aceita a idéia da água como
substância formada pelos elementos hidrogênio e oxigênio, na proporção,
respectivamente, de 2:1 em número de átomos, com fórmula química H2O.
1.2 - Investigando algumas propriedades da água
A água é uma substância vital para a existência da vida, que nela se
criou e se desenvolveu. Sem ela não existe nenhuma forma de vida neste Planeta.
O nosso organismo, assim como todos os demais seres vivos, é formado em sua
maior parte por água.
Mas por que ela é tão única em suas características? O que lhe permite
ser tão diferente e, por sua diferença, ter a importância que tem para toda a
biosfera?
O Planeta Terra poderia ser também chamado de "Planeta Água", pois
3/4 partes de sua superfície são cobertos de oceanos, lagos e rios. Os continentes
são ilhas, mergulhados na imensidão de água.
Por que a água, ou hidreto de oxigênio, é tão abundante? Outros hidretos
como a amônia (NH 3), metano (CH 4) ou fluoreto de hidrogênio (HF) tem
moléculas com aproximadamente o mesmo peso molecular e são bastante raros
em nossa atmosfera. O que faz a água ser diferente?
14
Vamos fazer o levantamento de algumas de suas propriedades.
EXPERIÊNCIA No1: Determinação da densidade da água e do gelo
a) Rapidamente, verifique a massa de 3 pedaços de gelo de tamanhos
diferentes em uma balança, com a maior precisão possível. Anote na
Tabela 1-4. Cuide para que o gelo não derreta.
b) Pegue uma proveta graduada na qual o pedaço de gelo que
###
você usou caiba dentro. Acrescente determinada quantidade de água
(20 ou 30 mL). É importante que sobre espaço graduado.
c) Mergulhe rapidamente o pedaço de gelo na água e determine seu volume. Anote na Tabela 1-4.
I
Tabela 1-4: Densidade do gelo
Experiência
1
2
3
Massa do gelo
Volume do gelo
Densidade
d) Repita estas operações para outros pedaços de gelo pesados. Meça os
dados com a maior precisão possível.
e) Pese agora uma proveta graduada de 5 mL, vazia e seca. Acrescente,
após, precisamente, 5 mL de água e pese novamente. A diferença entre os dois
dará a massa de5 mL de água. Anote na Tabela 1-5. Determine a temperatura da
água. Repita as operações acima usando 10 e 20 mL de água.
f) Com os dados das tabelas, calcule as densidades do gelo e da água.
Tabela 1-5: Densidade da água
Experiência
1
Volume de água (mL)
15
2
3
Massa de água
Densidade
Temperatura
Tabela 1-6: Densidade da água e do gelo em diferentes temperaturas
Temperatura (ºC)
Densidade (g/mL)
-5 (sólido)
0,92970
0 (sólido)
0,91680
0 (líquido)
0,99987
2
0,99997
3,98
1,00000
6
0,99997
10
0,99973
Por que o gelo flutua na água ?
Quais seriam, no seu entender, as causas desta diferença de densidade
entre a água e o gelo ?
EXPERIÊNCIA Nº2: Anotando a temperatura de fusão e ebulição
da água pura
a) Prepare, na véspera, uma porção de gelo a partir de água destilada.
Você pode obter água destilada condensando-a a partir do vapor de água que sai
de uma chaleira de água fervente. Para isto coloque como anteparo do vapor um
prato de porcelana e um recipiente sob o prato para recolher a água destilada;
16
b) Coloque estes pedaços de gelo em um copo de Béquer (ou outro
recipiente resistente ao fogo). Meça a temperatura inicial do gelo. Anote na
Tabela 1-7;
c) Aqueça o conjunto e, de 2 em 2 minutos anote o valor da temperatura
na Tabela 1-7, até o sistema entrar em ebulição. Anote mais três vezes a temperatura;
Tabela 1-7: Temperatura x tempo na ebulição da água
Tempo (min)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Temperatura (ºC)
d) Com os dados da tabela faça um gráfico colocando o tempo no eixo x
e a temperatura no eixo y;
temperatura (ºC)
t(min)
e) Interprete o gráfico e identifique todos os seus segmentos.
17
A Tabela 1-8 relaciona o número atômico do átomo central (e em função
disto, a sua posição na tabela periódica) com os pontos de fusão e de ebulição
destas substâncias. Observe os valores do B2H6, CH4, NH3, H2O e HF, ou seja,
os hidretos do segundo período da tabela periódica. Em função de seu número
atômico (ou de sua posição na tabela) que diferença fundamental apresentam
estes elementos entre si?
Tabela 1-8: Alguns compostos hidrogenados dos elementos do primeiro,
segundo e terceiro períodos
Fórmula
Número
Atômico do
Átomo Central
PF (ºC)
PE (ºC)
H2
1
-259,1
-252,7
He
2
-272,2
-268,9
LiH
3
+680 dec *
-
(BeH2) x *
4
+210 dec *
-
B2H6
5
-169
-87,5
CH4
6
-182,7
-161,3
NH3
7
-77,7
-33,4
H2O
8
0
+100
HF
9
-83,1
+19,5
Ne
10
-248,7
-245,9
NaH*
11
400-500dec*
-
(MgH2) x *
12
+ 280 dec*
-
(AlH3) x*
13
-100 dec
-
18
SiH4
14
-185
-111,8
PH3
15
-132,5
-87,4
H2S
16
-82,9
-60,8
HCl
17
-114,8
-84,9
Ar
18
-189,2
-185,7
Fonte: Chemical Bond Approach (8)
* Estes hidretos sólidos decompõem-se nos elementos constituintes. As
temperaturas dadas são aquelas nas quais a evolução de hidrogênio é
facilmente observável. Os dados para (MgH2)x e para o (BeH2)x podem ter
sido obtidos de amostras impuras.
Observe a Figura 1-4, abaixo:
Fonte: Chemical Bond Approach (8)
19
Figura 1-4: Pontos de ebulição dos hidretos dos elementos dos grupos
IV, V, VI e VII.
Quais das substâncias acima são sólidas, líquidas ou gasosas à
temperatura ambiente? Por quê?
Observe:
a) a variação do ponto de ebulição dos hidretos do segundo período da
tabela periódica (CH4, NH3, H2O e HF);
b) a variação do ponto de ebulição dos hidretos do Grupo VI da tabela
periódica (H2S, H2Se e H2O) comparando estes valores com os outros grupos do
gráfico.
Qual, na sua opinião, será a razão:
a) para a variação no mesmo período?
b) para a variação no mesmo grupo?
Justifique suas respostas.
O calor latente da vaporização relaciona a quantidade de calor que uma
determinada massa de uma substância precisa receber para mudar seu estado
físico de líquido para gasoso.
A Tabela 1-9 apresenta os calores latentes de vaporização de diversas
substâncias. Relacione-os com as suas temperaturas de ebulição.
Tabela 1-9: Calor latente de vaporização
Substância
Massa Molecular
cal/mol
cal/g
H2O
18
9.717
539,2
NH3
17
5.560
327,0
CH4
16
1.950
121,8
20
H2S
34
4.490
132,0
O calor latente de fusão da água é de 1.436,3 cal/mol ou 79,7 cal/g, enquanto que a amônia (NH3) é de 1.351 cal/mol ou 79,3 cal/g. Compare estes
valores com os respectivos pontos de fusão e procure explicá-los.
Como já foi dito, os calores latentes de fusão e vaporização representam
a quantidade de energia que uma determinada massa de uma substância precisa
absorver para mudar de estado físico. Quais segmentos de seu gráfico de
mudança de estado da água representam estes valores? Por quê?
EXPERIÊNCIA No3: A água e a eletricidade
a) Atrite um pente ou um bastão de vidro com um pedaço de flanela;
b) deixe escorrer um fiozinho de água bem fino da torneira e
aproxime o pente ou o bastão de vidro. O que se observa?
c) Para comparar, faça o mesmo com querosene ou gasolina.
I
EXPERIÊNCIA No4: A água dissolve todas as substâncias?
a) Coloque, em cinco copos, água até a metade. Dissolva em cada um
deles, respectivamente, uma colher de sal de cozinha, uma colher de óleo de
cozinha, uma colher de vinagre, uma colher de álcool e uma colher de querosene.
b) Anote suas observações.
Você fez nesta parte um levantamento de algumas características da
água. Resuma suas observações, preenchendo a Tabela 1-10.
Tabela 1-10: Principais propriedades da água
Estado físico (25º C, 1atm)
PF e PE
21
Calor latente de vaporização
Calor latente de fusão
Densidade da água
Densidade do gelo
A água dissolve ...
A água não dissolve ...
1.3 - A estrutura da molécula de água e a relação com suas propriedades
1.3.1 - Introdução
Observando os dados da Tabela 1-10 e comparando-os com os de outras
substâncias, verifica-se ser a água uma substância sui-generis dentre as de massa
molar semelhante. Essas características únicas fazem com que esta substância
seja de importância fundamental em nossa biosfera.
Tentar-se-á, nesta parte, mostrar como os cientistas imaginaram ser a
molécula, que forças se supõe atuem nesta estrutura e como estas características
se refletem no comportamento da substância.
1.3.2 - A formação da molécula
Verificou-se, na eletrólise da água, ser a sua molécula formada por dois
átomos de hidrogênio e por um átomo de oxigênio, proporção da qual resulta a
fórmula H2O.
Como é esta unidade estrutural mínima, a molécula de água?
Comecemos por examinar os seus átomos constituintes: H e O.
a) As configurações eletrônicas são, respectivamente:
H:
O:
22
b) Elétrons nas respectivas camadas de valência:
H:
O:
c) Valência:
H:
O:
Segundo as teorias de Kossel (1915), G. N. Lewis (1916) e I. Lang-muir
(1919), perfeitamente válidas para explicar a molécula de água, os átomos adquirem estabilidade quando sua configuração eletrônica se assemelha à de um gás
nobre. Para adquirirem esta configuração, podem acontecer três coisas: o átomo
receber, ceder ou compartilhar elétrons. Tudo depende de sua eletronegatividade,
que se relaciona com o potencial de ionização (energia necessária para arrancar
um elétron de um átomo isolado no estado gasoso). Se átomos diferentes e isolados estiverem próximos e houver uma grande diferença de eletronegatividade
(isto é, um elemento tiver baixa eletronegatividade ou baixo potencial de ionização e o outro alta eletronegatividade ou alto potencial de ionização) é possível a
transferência de elétrons do de mais baixo potencial para o de mais alto potencial.
Formam-se, então, cátions e ânions e ocorre a ligação iônica (diferença de
eletronegatividade maior que 1,7) e se forma, normalmente, um sólido iônico
cristalino.
Quando a diferença de eletronegatividade for inferior a 1,7, esta transferência de elétrons é improvável e ocorre então um outro tipo de ligação, chamada covalente. É uma associação de elétrons e não uma transferência como o
caso anterior. Esta associação completa o "octeto" de cada átomo participante da
ligação, fazendo com que adquiram a configuração de gás nobre.
Observe as eletronegatividades na Tabela 1-11 e indique o tipo de
ligação possível entre o hidrogênio e o oxigênio.
Tabela 1-11: Eletronegatividade dos elementos
23
H
He
2,1
-
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
-
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,5
3,0
-
K
Ca
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
0,8
1,0
1,6
1,8
2,0
2,4
2,8
-
Rb
Sr
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
0,8
1,0
1,7
1,8
1,9
2,1
2,5
-
Cs
Ba
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
0,7
0,9
1,8
1,8
1,9
2,0
2,2
-
Fr
Ra
0,7
0,9
A ligação entre os átomos de H e O é, portanto_____________, já que a
diferença de eletronegatividade entre estes dois elementos é de ___________.
Represente nos quadros abaixo as etapas de formação da molécula de
água, depois compare com a Figura 1-5:
24
Estruturas de Lewis
para H e O
Fórmula Eletrônica
da água
Fórmula Estrutural
plana da água
Fonte: Davis, Kenneth S. (9)
Figura 1-5: Modelo de ligação para a água
25
O ângulo de ligação entre os hidrogênios,
conforme certamente você representou, deveria
ser de 90 o, já que o oxigênio apresenta orbitais
"p" semi-preenchidos. Na realidade, conforme
visto na figura ao lado, este ângulo é um pouco
maior: 103 o, devido à repulsão entre estes
hidrogênios.
H á o u t r a s p r o p o s t a s d e m odelos,
envolvendo os diferentes orbitais atômicos do
oxigênio nas ligações com orbitais atômicos do
hidrogênio, porém a geometria que pode explicar propriedades da água é a que
está na figura.
1.3.3 - As ligações intermoleculares: a ponte de hidrogênio
Você viu acima que a diferença de eletronegatividade entre o hidrogênio
e o oxigênio é 1,4. Esta diferença não é suficiente para produzir a ligação iônica,
mas provoca na molécula um outro fenômeno: a polarização da ligação H - O.
Polarização é o nome que se dá ao
deslocamento do par eletrônico da ligação
para o lado do elemento mais eletronegativo.
Há então a formação de um dipolo elétrico,
onde o elemento menos eletronegativo é o
polo positivo e o elemento mais
Polarização da ligação O-H
eletronegat i v o é o p o l o n e g a t i v o . E s t a
polarização cresce com o aumento da eletronegatividade.
Visto no seu todo, a molécula de água, como tem forma de
V, apresenta a situação ao lado.
Logo, a molécula de água é, na verdade, um dipolo elétrico, ou seja, uma molécula polar onde os hidrogênios são
polos positivos e o oxigênio é o polo negativo.
Esta peculiaridade se reflete no seu comportamento em
relação às outras moléculas de água ou de outras substâncias
também polares.
O hidrogênio é um átomo formado por um próton e um elétron. O
oxigênio, como átomo muito eletronegativo, desvia completamente a nuvem
26
eletrônica do hidrogênio para o seu lado, deixando a descoberto o núcleo, o que
provoca a formação de um forte polo positivo. Como todas as moléculas de uma
mesma substância são iguais, na água elas não estão dispostas de qualquer jeito,
mas organizadas espacialmente de modo a haver uma associação de polos positivos e negativos, alternadamente.
A proximidade destes polos contrários provoca uma força de atração
entre as moléculas, chamada ponte de Hidrogênio (Figura 1-6), que ocorre
sempre quando o hidrogênio se encontra ligado a um elemento muito
eletronegativo.
As moléculas de água, possuindo dois pares eletrônicos não
compartilhados, e dois átomos de hidrogênio num arranjo tetraédrico, podem ser
ligadas não apenas em cadeias e anéis, mas também em retículos tridimensionais.
Isto ajuda a explicar as propriedades físicas extraordinárias da água.
As moléculas de CH 4 e NH 3, representadas na Figura 1-7, podem
apresentar pontes de Hidrogênio? Por quê?
Caso apresentem, elas serão mais fortes ou mais fracas que as da água?
Por quê?
Fonte: Chemical Bond Approach (8)
Figura 1-6: Modelos das pontes de hidrogênio na água
27
1.3.4 - Relação entre tipo de ligação intermolecular e propriedades
físicas.
Foi visto anteriormente que as propriedades físicas da água estão
relacionadas com as pontes de Hidrogênio entre as moléculas.
Da mesma forma, as propriedades físicas das outras substâncias também
estão relacionadas com o tipo de ligação.
Figura 1-7: Modelo das moléculas de CH4 e NH3
1.3.5 - Explicando as propriedades da água
No resumo feito ao final da parte anterior, constatou-se ser a água uma
substância bastante incomum: pequena molécula com comportamento de
molécula grande.
Analisando sua estrutura supõe-se que:
a) apresenta ligação covalente normal com ligação bastante polarizada;
b) tem a forma geométrica de um V;
c) apresenta, em conseqüência de polarização acentuada e da forma
geométrica, pontes de Hidrogênio, que são as mais intensas forças intermoleculares previstas.
A partir destes modelos para a molécula de água, podem-se procurar
explicações para algumas características que ela apresenta.
28
Tabela 1-12: Sumário das propriedades das substâncias
Covalentes
Propriedades
Cristais Iônicos
Polares
Apolares
Metálicos
Íons positivos e
negativos
Moléculas polares
Moléculas apolares
Íons positivos e elétrons não
localizados
Tipo de ligação
Iônica
Dipolo-Dipolo e
pontes de hidrogênio
van der Waals
Metálica
Pontos de Fusão
e Ebulição
Altos
Baixos
Muito baixos
Extremamente altos
Condutividade
Elétrica
Alta quando
dissolvidos em água
ou estado líquido
Boa quando
dissolvidos em
solvente polar
Muito baixa
Extremamente alta no
estado sólido (bons condutores de eletricidade)
Outras
propriedades
Duros, quebradiços,
mais solúveis nos
solventes polares
Pequena dureza,
solúveis nos solventes
polares
Muito moles, solúveis
em solventes apolares
NaCl, NaI, CaI2
H2O, PCl3, HCl, NH3
O2, N2, CO2, CCl4
Partículas
constituintes
Exemplos
29
Maleáveis, dúcteis, alta
conductividade elétrica e
térmica, insolúvel nos
solventes
Todos os metais
1.3.5.1 - Estado físico e mudanças de estado
O estado físico de uma substância, em qualquer condição de temperatura
e pressão, é conseqüência, de acordo com os modelos estruturais aceitos, do tipo
de força intermolecular presente, pois é resultado direto do tipo de organização
molecular:
Fonte: Sardella e Mateus
Figura 1-8: Mudanças de estado das substâncias
Assim, quanto mais fortes forem as forças que agem entre as moléculas,
mais probabilidade haverá de ser uma substância sólida nas condições de temperatura e pressão usuais (25oC e 1 atm) e mais energia requererá para mudar de
estado físico. Logo, maiores serão os pontos de fusão e de ebulição.
Observe a Tabela 1-8 da seção 1.2:
a) Quais das substâncias listadas se apresentam, respectivamente, nos
estados sólido, líquido e gasoso a 25oC e 1 atm? Por quê?
30
b) Que tipo de ligação química apresentam os elementos destas moléculas entre si? E ligações intermoleculares?
c) Relacione o valor dos pontos de fusão e de ebulição com o tipo de ligação interatômica e intermolecular.
Fonte: Sardella e Mateus
Figura 1-9: As mudanças estruturais da água com o aquecimento.
Observando a Figura 1-4 da seção 1.2 vê-se que a água apresenta pontos
de fusão e de ebulição anormais, se comparados aos hidretos do grupo do
oxigênio (VI A) e dos elementos do segundo período da tabela, onde está o
oxigênio (C, N e F).
Todas as ligações dos átomos nestas moléculas são covalentes. A
diferença reside no fato de o oxigênio ser um elemento altamente eletronegativo,
sendo portanto a molécula de água muito polarizada. Isto faz com que as forças
intermoleculares na água sejam muito fortes, requerendo muita energia para a
sua separação.
Os valores dos pontos de fusão e de ebulição estão também relacionados
com a quantidade de calor que se necessita fornecer para que uma substância
31
mude seu estado físico. Estas quantidades de calor chamam-se, respectivamente,
calor latente de fusão (do sólido para o líquido) e calor latente de vaporização (do
líquido ao gasoso) e são medidos em calorias por mol ou calorias por grama.
Alguns valores estão listados na Tabela 1-8 da seção 1-2.
Fonte: Sardella e Mateus
Figura 1 -10: Aquecimento (moléculas “escapam” do
sistema) e resfriamento (moléculas retornam ao
sistema) da água.
No gráfico referente à Tabela 1-7, que representa as mudanças de estado
da água, foi pedido que se indicassem as regiões referentes ao calor latente de
fusão e ao calor latente de vaporização. Confira na Figura 1-11 a sua resposta:
Fonte: Sardella e Mateus
Figura 1-11: Calor latente de fusão e de vaporização na água.
1.3.5.2 - Densidade da água e do gelo
32
Pelos dados constantes da Tabela 1-6 verifica-se que a densidade do gelo
é menor que a da água. Observa-se ainda que a água líquida, a 0oC, contrai-se
quando aquecida até 4oC. A partir daí ela se comporta de forma usual, expandindo-se pelo aquecimento.
Para entender este fenômeno, veja na Figura 1-12 a estrutura proposta
para o gelo:
Fonte: Davis, Kenneth (9)
Figura 1-12: Estrutura dos cristais de gelo: o cristal de gelo é uma
estrutura tetraédrica com esta forma geral. As grandes esferas sombreadas
representam o oxigênio, e as pequenas, brancas, o hidrogênio.
Esta estrutura é, basicamente, um tetraedro (poliedro com quatro faces,
cada uma delas um triângulo eqüilátero). Vejamos como ele se forma.
33
Quando a temperatura da água líquida baixa, as moléculas começam a se
arranjar ao longo das linhas direcionais das ligações de hidrogênio, deixando
brechas ou aberturas entre linhas.
Em torno de 4ºC, as pontes de hidrogênio, pela maior proximidade entre
as moléculas e pela sua baixa energia cinética (a temperatura é baixa), são
reforçadas. Há, assim, a formação de espaços vazios nos retículos cristalinos. Isto
aumenta o volume sem contudo aumentar a massa.
Como densidade e volume são inversamente proporcionais (d = m/v), o
aumento de volume, para uma mesma massa, faz diminuir a densidade.
É importante para a biosfera que o gelo flutue, pois assim peixes e outros
animais aquáticos podem sobreviver sob uma camada de gelo. Por outro lado, a
expansão de volume que ocorre no congelamento também é responsável pelo
estouro de garrafas de água ou outras soluções aquosas colocadas no congelador.
Ao aquecermos o gelo, o retículo cristalino começa a se desfazer com o
aumento da temperatura, pois as vibrações das moléculas dentro do retículo
começam a se tornar mais intensas. Permitem um movimento relativamente mais
livre das moléculas: o gelo funde, as moléculas se rearranjam, podendo ficar mais
próximas umas das outras, diminuindo o volume, o que aumenta a densidade.
Este reagrupamento acontece até 4oC, acima do qual começa uma lenta expansão
devido ao aumento de energia cinética. A densidade começa novamente a
diminuir.
1.3.5.3 - A água como solvente
Uma propriedade verdadeiramente importante da água é sua capacidade
de dissolver um grande número de substâncias. Por esta razão, rios, lagos e o mar
não são formados somente por água, mas apresentam em sua composição um
grande número de substâncias, principalmente sais, de grande utilidade para a
vida.
A água, que é uma substância polarizada, apresenta a capacidade de dissolver a maioria das substâncias iônicas que, por serem formadas de íons (pólos
de carga elétrica), atraem os pólos contrários da água, interagindo com eles e
permitindo a destruição das estruturas sólidas. Veja a Figura 1-13.
Se nas substâncias iônicas temos o fenômeno da dissociação (separação),
com a formação de íons e, conseqüentemente, de soluções condutoras de
eletricidade, nas substâncias covalentes polares esta integração da molécula de
34
água com esta substância também resulta na formação de íons, processo então
conhecido como ionização, pois estes íons, não existentes anteriormente,
formam-se na interação com a água, conforme pode ser visto na Figura 1-14.
Figura 1-13: Dissolução das substâncias
polares e iônicas na água.
Figura 1-14: Ionização de ácidos em água.
35
A água não dissolve substâncias apolares líquidas ou sólidas (gasolina,
parafina, querosene), mas dissolve em determinada proporção oxigênio e gás
carbônico, moléculas gasosas apolares.
1.4 - Conclusões
Nesta primeira parte foi estudada a estrutura da água, desde sua
concepção como um elemento indivisível e formador de outras substâncias, uma
herança da cultura grega, até sua estrutura atual como uma substância cujas
características particulares são atribuídas às ligações de dois átomos de
hidrogênio e um de oxigênio.
A história desta mudança acompanha o desenvolvimento do
conhecimento químico. Assim, o modelo de molécula de água admitido
atualmente propõe uma estrutura angular, onde os dois hidrogênios, ligados ao
oxigênio, mantêm entre si um ângulo de 104º30’. Devido a polarização destas
ligações, a água posssui um alto momento dipolar, sendo a esta polarização
atribuída as propriedades peculiares da água, pois é a única molécula de massa
molar equivalente a conseguir permanecer na superfície terrestre.
Por esta razão, a água está presente como componente essencial da
biosfera, participando da maioria dos fenômenos naturais. Isto torna seu estudo
de grande importância.
Na seqüência deste trabalho, serão apresentados outros fenômenos que
contam com a participação da água, tais como a chuva e as interações que a água
sofre na atmosfera, e os procedimentos necessários para torná-la potável.
36
2 - A ÁGUA DA CHUVA
Escrito por Cesar Valmor Machado Lopes
2.1 - Introdução
A água da chuva é pura? É própria para beber? Ela tem sabor?
E a água pura? Tem sabor?
(Quando tiver oportunidade experimente um pouco de água da
chuva, e também água destilada, e compare os sabores).
A água da chuva realmente não apresenta a pureza que alguns
podem lhe atribuir. A água, devido a suas características físicas e químicas, no
seu caminho natural da terra às nuvens (evaporação/ transpiração) e das nuvens à
terra (precipitação), faz o que poderíamos classificar de uma lavagem da
atmosfera, incorporando a maioria das substâncias presentes, quer de origem
natural ou resíduos da atividade humana.
As "impurezas" naturais da chuva são constituídas principalmente por sais de origem marinha e pelos gases que compõem nossa
atmosfera, que podem se dissolver na água. A nossa civilização industrializada
contribui com as emissões residuais de suas atividades.
Sendo as fontes naturais constantes, ou esporádicas, e as
emissões de poluentes crescentes, em nome do "desenvolvimento", a tendência é
termos cada vez mais alterações nas características da chuva.
Em algumas regiões esta situação já se apresenta bastante
crítica, e o processo de controle ambiental pelo Estado mostra-se de difícil
realização, por causa dos constantes conflitos com os segmentos sociais
envolvidos na geração de poluentes. Portanto é necessário que se conheçam os
problemas e se busquem as soluções necessárias para que não atinjamos a
destruição total do ambiente natural.
Este é o propósito deste trabalho: proporcionar o conhecimento
destes problemas e estimular a busca das soluções.
2.2 - Chuva normal
Aqui está um dos problemas críticos que desafiam as pesquisas
na área da química da chuva: a determinação do que é uma chuva "normal".
Como a pesquisa na área de química das águas pluviais é recente não se pode
afirmar muito a respeito da alteração da composição da chuva de determinada região, desde o início da influência da atividade humana. Mas, uma coisa é certa: a
37
composição da chuva pode variar de um lugar para outro pela ação de vários
fatores, como tipo de ecossistema presente e alguns parâmetros meteorológicos.
2.2.1 - Ciclo hidrológico
Figura 2-1: Ciclo das águas
" O conteúdo de um copo de água algum dia já flutuou pelos
ares, formou nuvens, despencou como chuva, esteve no fundo da terra, navegou
por rios, afundou nos mares, boiou na forma de iceberg. Ao longo de milhões de
anos, pouco se perdeu do estoque original de água do planeta. A mesma água
está sempre sendo bombeada no chamado ciclo hidrológico, iniciado quando o
calor do Sol aquece a superfície dos continentes e dos oceanos, fazendo com que
uma parte das moléculas de água evapore e suba ao céu. Além disso, ao transpirar, os seres vivos também contribuem para a reserva de vapor da atmosfera.
Em determinado momento, esse vapor se condensa e volta à forma líquida
transformado em chuva: cerca de 2/3 caem sobre o oceano, onde, graças às
correntes, as moléculas de água passeiam entre a superfície e o fundo, numa
viagem que pode durar 1000 anos; o restante, se não vai para os rios e lagos,
infiltra-se na terra. No subterrâneo, segundo o ciclo natural, o líquido fica de
200 a 10.000 anos, conforme a profundidade do lençol aquático, até borbulhar
em alguma nascente ou mesmo jorrar em um fumegante gêiser: nesse instante,
finalmente torna à superfície para, depois de certo tempo - alguns dias ou
milhões -, evaporar de novo."
(Superinteressante, outubro de 1990).
38
A água do mar apresenta sais dissolvidos (principalmente NaCl). Também a água de rios, lagos e lençóis subterrâneos apresenta vários compostos
dissolvidos. E a água da atmosfera, é pura? A chuva é água pura?
2.2.2 - Composição da chuva
A água do mar tem dissolvida uma grande quantidade de sais
(NaCl, CaSO4, MgSO4, KCl, entre outros). Pelo atrito do vento com a superfície
do mar, formam-se borrifos de água que são lançados na atmosfera (você já sentiu
a brisa do mar?), formando o que chamamos de aerossóis de origem marinha. Já
na atmosfera, essas pequenas gotinhas perdem sua água (total ou parcialmente)
pela evaporação. Restam, então, cristais de sais marinhos muito pequenos,
formados principalmente de NaCl, CaSO4.2H2O e MgSO4. Estas partículas, bem
como partículas de poeira (poluentes sólidos em suspensão na atmosfera),
funcionam como um núcleo sobre os quais pequenas gotas de água condensam e
aumentam a velocidade de formação das nuvens.
Portanto é normal encontramos na água da chuva compostos de
+
++
++
Na , Ca , Mg , K+, Cl-, além de gases dissolvidos e produtos de reações que
ocorrem na atmosfera.
A vida em nosso planeta depende desta camada de ar que nos
envolve. Embora a atmosfera corresponda a 0,0001% da massa total da Terra, é
dela que os seres vivos retiram o O2 essencial à vida, o CO2 para a fotossíntese e
o N2, cujos compostos são essenciais para o crescimento das plantas. Nosso clima
é dependente do movimento do vapor d'água da terra para a atmosfera e seu
retorno. Mesmo os constituintes em proporção muito pequena na atmosfera
podem ter efeitos benéficos ou prejudiciais sobre o equilíbrio da vida.
Dos gases da Tabela 2-1 a água dissolve alguns (O2 dissolvido na água é
vital para a vida aquática), reage com outros (CO2 + H 2O ó### H 2CO3) e
destas interações depende a composição da chuva.
O CO2, por ser o composto presente em maior quantidade no ar
(em condições normais) que reage com a água, é um dos principais responsáveis
pelas características químicas da chuva, como veremos posteriormente.
39
O CO2 bem como o N2O, SO2, NO2, CO e NO são chamados
ÓXIDOS. A partir destas fórmulas, dê uma definição para óxidos.
Seja pela interferência do homem ou da natureza, ocorrendo
alterações na composição do ar, com certeza ocorrerão alterações na composição
da chuva.
2.3 - Chuva ácida
Como já verificamos antes, a água da chuva dissolve os gases presentes
na atmosfera. Alguns gases específicos, quando em contato com o vapor d'água
e/ou chuva, são responsáveis pela formação da chuva ácida.
Tabela 2-1: Composição do ar puro e seco ao nível do mar
Componente
Fração molar
Componente
Fração molar
N2
0,78080
N2O
5,00 x 10-7
O2
0,20950
Xe
8,70 x 10-8
Ar
0,00934
CO
< 1,00 x 10-8
CO2
0,00034
SO2
< 1,00 x 10-6
Ne
1,82 x 10-5
O3
< 1,00 x 10-8
He
5,24 x 10-6
NO2
< 2,00 x 10-8
CH4
2,00 x 10-6
I2
< 1,00 x 10-8
Kr
1,14 x 10-6
NH3
< 1,00 x 10-8
H2
5,00 x 10-7
NO
< 1,00 x 10-8
40
Fonte: Masterton (23)
2.3.1 - Conceitos químicos básicos aplicados à chuva ácida
2.3.1.1 - Ácidos de Arrhenius
Observe o comportamento de alguns gases atmosféricos, quando
em contato com a água:
CO2 + H2O ⇔ H2CO3 ⇔ H+ + HCO3SO3 + H2O ⇔### H2SO4 ⇔ H+ + HSO4Os produtos formados incorporam-se à chuva, precipitando-se
sobre a Terra.
Qual a classificação (função química) dos gases originais?
Você pode observar alguma semelhança entre os produtos
formados? Quais?
Ao final do século XIX, Arrhenius chamou as substâncias que
têm comportamento semelhante ao H2SO4 em água, de ácidos.
H2SO4 + H2O ⇔### H3O+
H2CO3 + H2O ⇔### H3O+
HNO3 + H2O ⇔### H3O+
H2S + H2O ⇔### H3O+
HCl + H2O ⇔### H3O+
+ HSO4+ HCO3+ NO3+ HS+ Cl-
A partir das equações anteriores, como você pode definir um
ácido?
Atualmente, sabe-se que a probabilidade de existência do íon
H+ livre é praticamente nula. Ele reage intensamente com a água, segundo um
processo exotérmico, formando o íon H3O+ (hidrônio):
41
H+ + H2O ⇔### H3O+ + calor
Uma vez que o cátion H + não possui estabilidade em meio
aquoso, a dissociação do HNO3, por exemplo, é mais corretamente representada
pela equação:
HNO3 + H2O ⇔### H3O+ + NO3O HNO3, assim como o H2CO3 e H 2SO4, pode se formar a
partir da reação de um óxido com a água:
N2O5 + H2O ⇔### 2HNO3
Os óxidos que apresentam as mesmas características do CO2,
SO3 e N 2O5 em água, são chamados de óxidos ácidos. Com base nas reações
destes óxidos, como você pode definir um óxido ácido (anidrido)?
Sabendo que o Cl2O7 e P2O3 também são óxidos ácidos, o que
você pode dizer dos elementos (metal, semimetal, não metal) ligados ao oxigênio
nos óxidos ácidos?
2.3.1.2 - Bases de Arrhenius
Observe o comportamento de outros óxidos, quando em solução
aquosa:
Na2O + H2O ⇒### 2NaOH ⇔### 2Na+ + 2OHCaO + H2O ⇒### Ca(OH)2 ###⇔ Ca++ + 2OHCuO + H2O ⇒### Cu(OH)2 ⇔### Cu++ + 2OH-
Você observa alguma semelhança entre os produtos formados?
Quais?
42
Os óxidos que reagem com a água dando como produto compostos com características semelhantes ao NaOH, Ca(OH)2 e Cu(OH) 2 são
chamados óxidos básicos.
O Li2O e BeO, também são óxidos básicos. O que se pode dizer
destes elementos ligados ao oxigênio nestes compostos?
Utilizando como critério os elementos ligados ao oxigênio,
formule uma regra de classificação dos óxidos em ácidos e básicos.
Como vimos anteriormente, os óxidos ácidos reagem com a
água formando ácidos. E óxidos básicos reagem com a água formando o que
Arrhenius classificou como bases (hidróxidos).
Observe o comportamento de algumas bases em água:
Ca(OH)2 + H2O ⇔### Ca++ + 2OHCu(OH)2 + H2O ⇔### Cu++ + 2OHNaOH + H2O ⇔### Na+ + OHNH4OH + H2O ⇔### NH4+ + OHA partir do comportamento destas substâncias em água, dê uma
definição para bases.
Baseando-se na seguinte equação, Arrhenius afirmou que a
água é uma substância neutra (nem ácida, nem básica):
H2O ⇔### H+ + OH-
Justifique esta afirmativa.
43
2.3.1.3 - Indicadores ácido/base
I
EXPERIÊNCIA No1
Material
6 tubos de ensaio
papel tornassol azul
papel tornassol vermelho
solução fenolftaleína 1
solução ácida qualquer (suco de limão, vinagre, etc.)
Solução básica qualquer (detergente, amoníaco, etc.)
Procedimento
- Separe os tubos em dois grupos de 3;
- No primeiro grupo adicione aos tubos: água, ácido e base;
- Em cada um dos tubos adicione 3 gotas de fenolftaleína.
Observe e complete a Tabela 2-2;
- No segundo grupo, proceda como no primeiro, substituindo a
fenolftaleína por uma tira de tornassol azul e vermelho. Observe e complete a
Tabela 2-2;
A fenolftaleína e o papel tornassol azul e vermelho são
indicadores ácido/base. A partir desta afirmação, o que é um indicador
ácido/base?
Tabela 2-2: Características dos indicadores frentes a diversos tipos de soluções
1 Preparo do indicador fenolftaleína:
- Adquira em uma farmácia alguns comprimidos de LACTOPURGA. A fenolftaleína, por seu efeito
laxante e purgativo, entra na composição deste medicamento;
- Triture 2 comprimidos e coloque o pó em meio copo de álcool. Agite e deixe dissolver até o dia seguinte.
Filtre em algodão ou pano. Passe para um frasco que possa ser tampado e guarde.
44
COR DO INDICADOR
Soluções
Fenolftaleína
Tornassol
Azul
Tornassol
Vermelho
água
ácido
base
A cal virgem, utilizada na construção civil é basicamente CaO.
Qual a classificação (função química) do CaO?
Com base no comportamento de substâncias semelhantes ao
CaO, o que deve acontecer quando o dissolvemos em água?
EXPERIÊNCIA No2
Material
Cal virgem
1 copo
Solução de fenolftaleína
Procedimento
- Coloque um pouco de água num copo e adicione 3 gotas de
fenolftaleína. Observe e anote;
- O que deveria acontecer com a cor da solução se você
adicionasse CaO à água? Por quê?
- Adicione cal virgem à água com fenolftaleína e agite. Observe
e anote as alterações;
- Faça a equação da reação que aconteceu no copo;
- Classifique a substância original e o produto formado.
45
Em nosso processo respiratório liberamos CO 2 p a r a a a t mosfera. O que deve acontecer quando assopramos CO2 com um canudinho
dentro da água? E se assoprarmos numa solução aquosa de Ca(OH)2 (água de
cal) com fenolftaleína? O que deve acontecer com a cor da solução?
EXPERIÊNCIA No3
Material
1 copo
1 canudinho
Solução diluída de Ca(OH)2 (água de cal)
Fenolftaleína
Procedimento
- Coloque uma pequena quantidade de água de cal bastante
diluída num copo;
- Adicione 3 gotas de fenolftaleína à solução;
- Com o canudinho assopre a solução. Observe e anote as
alterações;
- Faça a equação da provável reação da água com o ar expirado;
- Classifique a substância original e o produto formado.
Como a água da chuva dissolve o CO 2 atmosférico, que características ela deve apresentar?
Com base nas reações dos anidridos atmosféricos com a água,
concluímos que deve haver ácidos na composição da água da chuva,
normalmente H2CO3 e pequenas quantidades de H2SO4 e HNO3. Quando estas
quantidades aumentam, por processos naturais e/ou artificiais, tende a formar-se
a chuva ácida. É importante analisarmos algumas características dos ácidos,
para melhor entendermos a formação e os efeitos da chuva ácida.
2.3.1.4 - Força dos ácidos e bases
46
2.3.1.4.1 - Força dos ácidos
I
EXPERIÊNCIA No4
Material
8 pregos (4 destes raspados com esponja de aço para remover a camada
protetora)
4 pires
Suco de limão
Vinagre (ácido acético)
Solução de ácido clorídrico concentrado (HCl, ácido muriático)
Procedimento
- Coloque dois pregos em cada pires, sendo um raspado e outro
não;
- Coloque no primeiro pires água, no segundo suco de limão, no
terceiro vinagre e no quarto HCl, até cobrir totalmente os pregos;
- Observe atentamente, por vários minutos, o que acontece nos
quatro pires e faça suas anotações;
- Deixe os pregos imersos por um dia e faça observações do que
ocorreu.
Há diferenças no comportamento químico dos pregos na água e
nos ácidos? Quais?
Há diferenças na efetividade do ataque de cada ácido sobre os
pregos? Quais?
E entre o prego lixado e o não lixado?
Caso haja, a que podemos atribuir estas diferenças de
comporta-mento?
As diferenças na efetividade de ataque dos ácidos que
observamos caracteriza o que chamamos de “força” dos ácidos.
47
Qual dos ácidos utilizados na experiência você caracterizaria
como um ácido forte? E fraco? Que evidências de reação comprovam sua
afirmativa?
A força dos ácidos está diretamente associada ao seu grau de
ionização (α). Este indica a percentagem de moléculas ionizadas, quando em
solução. Por exemplo, dissolvendo-se 10 mols de um ácido (HA), em água, 5
mols ionizar-se-ão segundo a reação:
HA + H2O ⇔### A- + H3O+
Então, resolvendo:
10 mols - 100%
5 mols α
α=
5 x 100
######### = 50%
10
Baseado na resolução deste problema, determine uma fórmula
para o cálculo de α.
O valor de α, no caso específico dos ácidos, está diretamente
relacionado ao número de H que se ionizam. Quando da ionização de um ácido
em água, há sempre a produção do íon H 3O+ a partir do H do ácido. Por
exemplo:
HF + H2O ⇔### H+ + Fou melhor:
HF + H2O ⇔### H3O+ + F-
48
As setas duplas indicam não apenas a reversibilidade, mas
também o fato de termos, ao mesmo tempo, presentes HF, H 2O, H 3O+ e F -,
caracterizando um "equilíbrio dinâmico". "Equilíbrio" porque, nas mesmas
condições de temperatura e pressão, as concentrações de HF, H3O+ e F- não se
alteram. "Dinâmico" porque estão sempre ocorrendo transformações nos dois
sentidos.
Vejamos a ionização do ácido sulfúrico:
H2SO4 + H2O ⇔### H3O+ + HSO4HSO4- + H2O ⇔### H3O+ + SO4-###
H2SO4 + 2H2O ⇔ 2H3O+ + SO4--
α1
α2
αmédio = 61%
Temos um α característico para cada uma das equações acima,
pois há 2 hidrogênio ionizáveis. Em qualquer ácido em que sejam possíveis
várias etapas de ionização, verifica-se que o primeiro H é mais facilmente
ionizável. Os demais já encontram maior dificuldade. No caso específico do ácido
sulfúrico, em soluções diluídas, a primeira etapa de ionização, é praticamente
total (α próximo de 100%). Na segunda etapa o α tem valores menores.
Faça a equação de ionização do H3PO4 (ácido fosfórico) em
água.
Para as equações da questão anterior, empiricamente, coloque
os α em ordem crescente de seus valores.
I
EXPERIÊNCIA No5: Condutibilidade elétrica de ácidos e bases
Material
Aparelho para teste de condutibilidade elétrica
49
Material para montagem de um aparelho de teste:
Fio condutor comum (duplo)
1 lâmpada queimada
1 lâmpada (25 W)
2 spots para lâmpada
1 plugue para conectar na tomada
Montagem:
- Monte o equipamento conforme mostrada na Figura 2-2.
Figura 2.2: Aparelho de teste
Observação: a potência da lâmpada é uma variável interveniente nesta
experiência. Em vista disto, recomenda-se o uso de uma lâmpada de 25W, que
funcionará em todas as situações.
Água destilada
Soluções de ácidos:
HNO3 (0,1 N)
HCl (0,1 N)
H2SO4(0,1 N)
H3PO4(0,1 N)
Vinagre
50
Suco de limão
Soluções de bases:
NaOH (0,1 N)
NH4OH(0,1 N)
Procedimento:
- Coloque a água num copo;
- Mergulhe os eletrodos da lâmpada quebrada na água (Figura
2-3);
Figura 2-3: O aparelho de teste em funcionamento
- Ligue a aparelhagem à corrente elétrica;
- Observe se a lâmpada acendeu e complete a Tabela 2-3, para
os ácidos (para as bases complete a Tabela 2-4);
- Desligue a aparelhagem da corrente elétrica;
- Retire os eletrodos da água, limpe-os e seque-os;
- Repita a operação para todas as outras soluções.
Tabela 2-3: Condução de corrente elétrica por soluções ácidas.
51
Soluções
Não
Acendeu
Comportamento da Lâmpada
Acendeu
Fraca
Moderada
Forte
H2O
HNO3
HCl
H2SO4
H3PO4
Vinagre
Suco de limão
Responda as seguintes perguntas:
a) Por que a água não conduz corrente elétrica?
b) Que diferenças você observou na intensidade da luz nas
diferentes soluções? A que você atribui estas diferenças?
Tabela 2-4: Condução de corrente elétrica por soluções básicas.
Comportamento da Lâmpada
Soluções
Não
Acendeu
Acendeu
Fraca
H2O
NaOH
NH4OH
52
Moderada
Forte
c)Utilizando os valores do grau de ionização dos ácidos
(Tabela 2-5), relacione estes valores com a condutibilidade elétrica de cada
ácido;
d) Classifique os ácidos usados em fortes, moderados e fracos;
e) Relacione o valor de α com a força dos ácidos;
f) Você usaria HCl para temperar salada? Por quê?
Os ácidos convencionalmente são classificados quanto à “força”
em:
fortes
moderados
fracos
α > 50%
5% < α < 50%
α < 5%
Classifique os ácidos da Tabela 2-5 em fortes, moderados e
fracos.
Tabela 2-5: Graus de ionização de alguns ácidos (0,1 N e 25oC)
Ácido
α%
Ácido
α### %
HClO4
97
H3PO4*
27
HI
95
HF
8,5
HBr
93
Ácido acético
1,3
HCl
92
H2CO3*
0,18
HNO3
92
H2S*
0,075
H2SO4*
61
HCN
0,008
53
H2SO3*
30
* Diácidos e triácidos, considera-se a média da ionização total
A chuva ácida apresenta HNO3 e H2SO4 em quantidades maiores que a
normal, além do H2CO3 dissolvido na água. Que diferenças você observa quanto
a força dos ácidos que compõem a chuva?
Observação: Podemos usar o valor do grau de ionização (α) sem percentual.
Basta, para tanto, dividi-lo por 100. Com base nisto, indique qual o intervalo de
valores possíveis para α?
2.3.1.4.2 - Força de bases
Da mesma forma como os ácidos, as bases também podem ser
classificadas quanto a sua força, sendo esta diretamente com o respectivo grau de
dissociação iônica relativa.
Baseado na Tabela 2-4, coloque as bases em ordem decrescente
de seu provável grau de ionização.
O que caracteriza a ionização de um ácido é a formação do íon
H3O+, a partir do H do ácido. E nas bases, o que é característico em sua
dissociação?
Podemos dizer então, que uma base forte é a que apresente alta
concentração de íons OH-? Justifique.
2.3.1.5 - Medidas de acidez
Como vimos anteriormente, podemos determinar a força de um
ácido ou base, em função da concentração de íons H + ou OH -. Esta medida
também vem caracterizar a maior ou menor acidez (ou basicidade) de uma
solução.
Para chegarmos às medidas de acidez, partimos do solvente
(chamado solvente universal) que utilizamos para propiciar a dissociação iônica
dos ácidos e bases.
54
Para Arrhenius, a água dissocia-se pela equação:
H2O ⇔ H+ + OHO grau de ionização da água é muito pequeno. A partir desta
afirmação, responda: a água pura se apresenta bastante dissociada?
Comprove sua resposta baseado em alguma experiência
realizada.
Seguindo as regras gerais do Equilíbrio, formulamos a
expressão da constante de ionização (Ki) da água pela equação de Arrhenius:
Ki =######
[H+] x [OH-]
###
[H2O]
onde [H +], [OH -] e [ H 2O] representam, respectivamente, as concentrações
molares de H+, OH- e H2O.
Com a água temos um caso especial, pois, por ser pouco
dissociada, a concentração de H2O é bastante grande e praticamente constante.
Então por processos matemáticos, obtemos uma nova constante, chamada produto
iônico da água (Kw).
ki x [H2O] = [H+] x [OH-]
Kw = [H+] x [OH-]
Experimentalmente, determinou-se o valor de Kw como 1x1014, a 25oC.
Observe as concentrações iônicas e o valor do produto iônico
para as soluções na Tabela 2-6 e responda as perguntas posteriores.
Tabela 2-6: Concentração iônica de soluções.
55
Soluções aquosas, à 25ºC
[H+]
[OH-]
[H+]x[OH-]
NaOH
10-2 M
10-12 M
10-2 M
10-14 M
NaOH
10-3 M
10-11 M
10-3 M
10-14 M
HCl
10-1 M
10-1 M
10-13 M
10-14 M
HCl
10-3 M
10-3 M
10-11 M
10-14 M
NaCl
10-1 M
10-7 M
10-7 M
10-14 M
KBr
10-3 M
10-7 M
10-7 M
10-14 M
10-7 M
10-7 M
10-14 M
H2O
a) O que você conclui sobre os valores do produto [H+ ][OH-]
?
b) Por que uma solução é dita mais ácida do que outra ?
c) Por que a água é considerada neutra ?
d) O que ocorre com as concentrações de H+ e OH- quando
adicionamos um soluto ácido em água ? E básico ? Por quê ?
e) Dê a concentração molar de H + e OH- de uma solução
aquosa, à 25oC, de HCl 10-4 M (considerando α = 100%).
f) Podemos saber se uma solução é ácida, neutra ou alcalina,
sabendo sua concentração de H+ , à 25oC ?
56
Para facilitar a expressão da acidez ou basicidade de uma
solução, normalmente, expressamos seu valor através da escala de pH (potencial
hidrogeniônico), que foi proposta por Sörenssen no início do século XX.
Sörenssen definiu pH como:
pH = - log [H+] ou
pH = log 1 .
[H+]
Na Tabela 2-7 apresentamos alguns exemplos de cálculo de pH:
Tabela 2-7: Tabela de Cálculo de pH (25oC):
Solução
[H+]
Cálculo
pH
1
10-8 M
- log 10-8 = - (- 8) = 8
8
2
10-1 M
- log 10-1 = - (- 1) = 1
1
3
1M
- log 1 = - (0) = 0
0
4
10-7 M
- log 10-7 = - (- 7) = 7
7
5
10-14 M
- log 10-14 = - (- 14) = 14
14
a ) Classifique as soluções da Tabela 2-7 em ácidas, neutras ou
alcalinas.
b) Qual das soluções da tabela anterior poderia ser a água?
Por quê?
57
c) O que caracteriza a força de um ácido é a concentração de H+
em solução. A concentração de H+ determina o pH. Que solução é mais ácida:
uma de pH 3 ou pH 4? Por quê?
d) Com base nas informações anteriores complete a Tabela 2-8,
abaixo:
Tabela 2-8: Características das soluções
SOLUÇÕES
I
[H+]
II
III
IV
10-3
[OH-]
10-5
pH
5
7
solução ácida,
alcalina ou neutra
e) A chuva torna-se ácida pela incorporação de solutos ácidos.
O que ocorre, então, com a concentração de H+ quando da formação da chuva
ácida (em comparação com a água pura)? O que ocorre com o valor do pH?
f) "Em várias cidades do oeste da Europa e do leste dos EUA, a chuva
chegou a ter pH entre 2 e 3, ou seja, entre o do vinagre e do limão. A diferença é
maior do que parece: uma chuva com pH 3 contém dez vezes mais H+ do que
outra com pH 4 e cem vezes mais do que outro com pH 5." Veja a Figura 2-4
(Superinteressante maio/90).
Por que uma chuva com pH 3 é de dez vezes mais ácida do que
uma com pH 4?
58
g) "Os lagos saudáveis em toda a Escandinávia, aqueles dos cartões
postais, teriam um pH neutro em torno de 7,0. Em muitos deles, esse valor
baixou para 5,0. A acidez matou algas, plânctons e insetos. Sem esta vida microscópica, as águas adquiriram uma transparência não natural. Depois, à
medida que o pH baixava, desapareceram os peixes, em especial as trutas e os
salmões. Enfim, os pássaros, sem ter o que comer, sumiram." (Superinteressante
maio/90).
Considerando os valores do artigo acima, quantas vezes
aumentou a concentração de H+ nos lagos escandinavos?
Fonte: Adaptado de Superinteressante maio/90
Figura 2-4: Escala de pH
59
F
OBSERVAÇÕES IMPORTANTES
(1) Escala de pOH
Semelhante a escala de pH, Sörenssen, também criou a escala
de pOH (potencial hidroxiliônico), definida por:
pOH = - log [OH-] = log 1/[OH-]
Efetuando os cálculos para soluções a 25 oC, chegamos a
seguinte comparação entre as duas escalas:
pH
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
pOH
ß aumenta a acidez
aumenta a basicidade à
Usando os dados da Tabela 2-9, responda:
Tabela 2-9: Valores de pH e pOH
Solução
pH
pOH
1
9,3
4,7
2
7,0
7,0
3
3,2
10,8
4
1,3
12,7
5
0,8
13,2
60
6
12,8
1,2
a) As soluções relacionadas são ácidas, neutras ou alcalinas? Qual a
mais ácida?
b) Quantas vezes a concentração de H+ aumenta desde a solução mais
alcalina até a mais ácida?
"Amostras de águas coletadas pelo laboratório de climatologia
da USP apresentam pH médio 4,2..." (Folha de São Paulo, 07 de dezembro de
1990).
c) O pH da chuva normal é, por convenção, maior ou igual a 5,6 (menor
que 7). Considerando o valor de 5,6, quantas vezes aumentou a concentração de
H+ na água da chuva de São Paulo?
d) Devido a que substâncias o pH da chuva normal é ácido?
e) Que substâncias podem provocar o aumento da acidez da
chuva, causando a chuva ácida?
f) Faça a equação de algumas das reações responsáveis pelo
surgimento do H2SO4 e HNO3 na chuva:
61
Fonte: Ciência Hoje março/90
Figura 2-5: Ciclo da chuva ácida
g)Baseando-se no valor do grau de ionização dos seguintes ácidos,
justifique os valores de pH ≥ ###5,6 para chuva normal e valores de pH < 5,6
para chuva ácida:
H2CO3 = 0,18%
H2SO4 = 61%
HNO3
=
92%
2.3.2 - Causadores da chuva ácida
2.3.2.1 - Óxidos de enxofre (SOx)
Como origem dos óxidos de enxofre (principalmente SO 2)
atmosféricos, podemos apontar duas possibilidades: a origem natural e a origem
antropogênica.
(A) Fontes naturais
62
A.1) Vulcões em erupção lançam SO2 diretamente na atmosfera.
Uma vez na atmosfera o SO 2 pode reagir em pequenas proporções com o O2 do ar e formar SO3.
Faça a equação da reação do SO2 com o O2.
Esta reação em situação normal ocorre em pequenas quantidades, mas alguns sólidos (poluentes) em suspensão na atmosfera, podem
funcionar como aceleradores de reação, aumentando em até 5 vezes a produção
de SO3.
O SO3, uma vez em contato com a água, precipita-se na forma
de chuva ácida, ou até mesmo pode formar H2SO4 dentro de nossos pulmões.
Faça a equação da reação do SO3 com H2O.
A.2) Processos biológicos de alguns microorganismos, plantas e algas
presentes em ambientes marinhos, costeiros e continentais produzem outros dois
compostos gasosos de enxofre: o H2S (sulfeto de hidrogênio) e CH3SCH3 (sulfeto
de dimetila).
Os oceanos são as principais fontes de sulfeto de dimetila,
originário de processos metabólicos em algas e fitoplânctons. Os litorais
formados por pântanos e mangues são fontes de H2S.
"Na América do Sul, chuvas com pH médio de 4,7 têm sido
registradas tanto em áreas urbanas e industrializadas como em regiões remotas.
' Isso não quer dizer que a poluição se espalhou por toda a parte', tranqüiliza a
física Lycia Moreira Nordemann, do Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE) de
São José dos Campos, no interior paulista, uma das poucas pesquisadoras
brasileiras de chuva. Ela observa, por exemplo, que os estudos realizados na
floresta amazônica mostraram que os valores de pH na região (entre 4,5 e 4,7)
estão próximos daqueles observados em áreas das cidades de São Paulo e Rio
de Janeiro. A explicação é natural. A chuva ácida provém da oxidação de sulfeto
de hidrogênio, ou seja a reação do sulfeto em contato com o oxigênio do ar, que
se volatiliza nas regiões alagadas. Mas resulta principalmente da grande
q u a n t i d a d e d e á c i d o s o r g â n i c o s e m i t i d o s p e l a p r ó pria floresta."
(Superinteressante maio/90)
Pode ocorrer chuva ácida sem a interferência do Homem? Em que
situações?
63
(B) Fontes antropogênicas
B.1) Uma vez que o enxofre é um dos elementos presentes, em maior ou
menor quantidade em todo ser vivo, ocorrendo a queima desta biomassa
(principalmente madeira), há liberação do enxofre oxidado que se espalha pela
atmosfera.
O SO2 uma vez na atmosfera, pode reagir também diretamente
com H 2O2, que é um poluente de nossa atmosfera, cuja quantidade vem
crescendo bastante nos últimos tempos, produzindo também H2SO4.
Faça a equação da reação.
B.2) Os combustíveis fósseis (carvão mineral, gás natural e derivados do
petróleo) apresentam, em maior ou menor quantidade, enxofre, seja na forma inorgânica ou orgânica, que ao serem queimados liberam quantidades apreciáveis
de SO2 para a atmosfera.
No Brasil, principalmente na região sul (RS e SC), utiliza-se
carvão mineral com alto teor de enxofre (2,5 a 3,0%) para produção de energia
elétrica. Um pouco mais da metade do enxofre presente no carvão mineral está na
forma de minerais, tais como as piritas, FeS 2. Na combustão, o enxofre é
convertido a dióxido de enxofre:
4 FeS2 + 11 O2 ⇒### 2 Fe2O3 + 8 SO2
O carvão mineral também é bastante usado em usinas siderúrgicas, onde é utilizado para obtenção de ferro gusa e/ou ferro esponja,
matéria-prima para fabricação do aço. Também nos processos metalúrgicos o
enxofre é oxidado a SO2, em altas temperaturas.
Os combustíveis derivados do petróleo geralmente não
apresentam muito enxofre (depende da qualidade do petróleo), mas a quantidade
presente aumenta com o ponto de ebulição dos combustíveis destilados do
petróleo, ou seja, o teor de enxofre é maior nos óleos residuais que em alguns
lugares ainda são queimados em caldeiras para produzir energia. O enxofre,
presente nos combustíveis, geralmente está sob a forma de compostos orgânicos,
e também é convertido em SO2 por combustão.
As usinas termoelétricas (carvão, gás natural e óleo) são responsáveis por aproximadamente 80% do SO2 produzido pelo Homem. O meio
64
óbvio de evitar a emissão do SO 2 é remover os compostos de enxofre do
combustível, antes que ele seja queimado. A pirita, FeS2, pode ser separada do
carvão através de uma lavagem com solução de NaCl (d=1,35 g/cm3). O carvão
(1,2 g/cm3) flutua nessa solução, enquanto a pirita (4,9 g/cm3) afunda. Esse
método, no entanto não é efetivo com compostos orgânicos sulfurados, que são
responsáveis por aproximadamente 50% do enxofre do carvão e virtualmente
todo o enxofre dos combustíveis do petróleo.
Os meios de transporte que utilizam combustíveis de origem
fóssil (petróleo), embora em menor proporção, contribuem bastante para o
aumento do SO2 na atmosfera. Observe a Tabela 2-10 e responda às questões
posteriores.
Tabela 2-10: Lançamento de poluentes na atmosfera em função do tipo de veículo.
Tipo de
Número de
Fonte
Unidades
LANÇAMENTO NA ATMOSFERA (ton/dia)
CO
HC
NOx
1195563
2768
302,7
114,7
23,6
16,9
578336
1339
146,3
55,5
14,4
8,2
caminhões médios a gasolina
19213
163,4
33,1
5,5
1,3
0,7
caminhões pesados a gasolina
35514
576,0
113,3
16,3
5,4
2,9
caminhões a
diesel
70370
137,3
22,4
100,3
52,4
8,6
ônibus
21787
57,5
10,9
58,4
29,6
4,3
TOTAL
1920783
5041,2
628,7
350,7
123,7
41,6
automóveis a
gasolina
utilitários e
comerciais
leves a gasolina
65
SOx
P.S.
Dados obtidos do Jornal da CETESB, ano III, no.30, 1978. Legenda: CO - monóxido de carbono; HC hidrocarbonetos; NOx - óxidos de nitrogênio; SOx - óxidos de enxofre; P.S. - partículas sólidas.
a) Que tipo de veículos lançam mais SO2 no ar? Por quê?
b) Que medidas são possíveis, na sua opinião, para reduzir a emissão de
SO2?
B.3) Processos metalúrgicos envolvendo a fusão de minérios, na
forma de sulfetos (de Cu, Zn, Pb), oxidam o enxofre, que normalmente é lançado
na atmosfera.
Uma maneira de resolver o problema da emissão de SO2, na
maioria dos casos citados, é adicionar uma substância química para reagir com os
óxidos de enxofre após estes serem formados. O método mais comum usa o
calcário (CaCO3), que pode ser adicionado aos gases de exaustão ou como um pó
seco ou uma suspensão em água. A reação é:
CaCO3 + SO2 + 1/2 O2 ⇒### CaSO4 + CO2
Infelizmente, o CaSO4 formado, tende a aderir a superfície das
partículas de calcário, interrompendo assim a reação.
Muitas substâncias químicas foram e estão sendo testadas para
encontrar uma maneira simples e economicamente viável de reduzir o SO 2
lançado pelo homem na atmosfera (atualmente cerca de 50% do SO2 atmosférico
é produzido pelo homem).
2.3.2.2 - Óxidos de nitrogênio (NOx)
Como vimos anteriormente o N2 é o componente presente em
maior proporção na atmosfera (cerca de 80%). Na forma molecular (N 2), o
nitrogênio é praticamente inerte, exceto para poucos microorganismos que
possuem a capacidade de converter o elemento numa forma combinada, forma
esta, essencial para sobrevivência dos vegetais, e conseqüentemente dos animais,
incluindo o Homem.
Mas além destas formas, podemos encontrar o nitrogênio na forma de
compostos nocivos à saúde e ao ambiente.
66
Aqui, especificamente, apresentaremos os óxidos de nitrogênio
(NOx) que propiciam a ocorrência de chuvas ácidas. Estes óxidos podem ter
também duas origens distintas: natural e antropogênica.
(A) Fontes Naturais
A.1) Alguns NOx são produzidos por processos metabólicos (nitrificação
e denitrificação) de alguns microorganismos que se utilizam do nitrogênio para
produção de energia. O nitrogênio atmosférico é absorvido por bactérias
(fixadores de N) que podem liberá-lo na forma oxidada para a atmosfera (a maior
parte dos óxidos produzidos é fixada no próprio solo, para uso dos vegetais).
Bactérias decompositoras destroem os compostos nitrogenados contidos em restos
de vegetais e animais mortos, liberando NOx e N2 para a atmosfera.
Um dos principais óxidos formado é o NO (monóxido de
nitrogênio). O NO uma vez na atmosfera pode reagir com o O 3 (ozônio)2
atmosférico.
Faça a equação da reação do NO com O3, sabendo que o O3 é
instável, tendendo a se estabilizar na forma de O2.
A . 2 ) O N O e N O 2 são também produzidos na atmosfera durante
tempestades, acompanhadas de relâmpagos. O relâmpago fornece, momentaneamente, a alta energia necessária para o N2 reagir com o O2.
O NO2 na atmosfera pode reagir com os íons OH- (ionização do
vapor d'água), formando um dos responsáveis pela acidez da chuva.
Faça a equação da reação do NO2 com OH-.
(B) Fontes Antropogênicas
2 O O em camadas baixas da atmosfera é um poluente que provoca um número muito
3
grande de reações entre os compostos atmosféricos, sendo um dos principais responsáveis
pelo Smog (poluição na forma de névoa) das grandes cidades. O O3 em camadas altas da
atmosfera, é responsável pela proteção da Terra dos efeitos nocivos de alguns raios
ultravioletas.
67
B.1) Queima de biomassa:
Como vimos antes, os vegetais contêm nitrogênio (combinado).
Quando ocorre a morte do vegetal, o nitrogênio combinado pode ser decomposto
por bactérias, ou oxidado quando o vegetal é queimado para produzir energia ou
em queimadas.
Os vegetais apresentam principalmente em sua composição C,
H, O, e em menores quantidades N, S, P, entre outros. Quando queimados os
vegetais liberam os elementos em sua forma oxidada e água.
B.2) Queima de combustíveis fósseis
A alta temperatura da queima dos combustíveis é a principal
fonte deste tipo de poluente. A temperaturas de 1200oC ou superiores detectamos
a seguinte reação:
N2 + O2 ⇒### 2NO
Sabendo que a temperatura alcançada em um motor de combustão interna (automóveis) pode exceder a 2000oC, podemos imaginar que os
automóveis são um dos grandes responsáveis por este tipo de poluição.
Uma vez na atmosfera, o NO é lentamente convertido a NO2
pelo O2
2NO + O2 ### ⇒ 2NO2
e mais rapidamente pelo ozônio
NO + O3 ### ⇒ NO2 + O2
De acordo com a Tabela 2-10 que tipo de motores produzem
mais NOx?
Com base na Figura 2-6, responda a seguinte questão:
Em que modo de operação do motor ocorre a maior produção de NOx?
Por quê?
68
Figura 2-6 : Emissões de escapamento conforme o
modo de operação do veículo
Na atmosfera, por reações com radicais OH-, o NO2 é convertido a ácido
nítrico. Equacione esta reação.
Em torno de 65% do NOx atmosférico deriva da queima de combustíveis
fósseis e biomassa. Para reduzir a emissão de NOx e outros poluentes gasosos, em
países do 1o mundo, são utilizados catalisadores no sistema de exaustão para
promover a decomposição do NO, talvez pela reação:
2CO (produzido pelo motor) + 2NO ⇒### 2CO2 + N2
Esta reação é espontânea, mas comparativamente lenta ao nível de partes
por milhão (ppm), concentrações nas quais CO e NO estão presentes na exaustão
dos automóveis.
"BRASIL JÁ TEM SEU PROGRAMA"
Fonte: Folha de São Paulo
69
"No Brasil, é o Programa de Controle de Poluição do Ar por
Veículos Automotivos (Proconve) que dita as regras de combate aos poluentes.
Desde 1989, o programa exige que os carros novos tenham regulagem de
motores mais sofisticada.
Em janeiro de 92, entra em vigor a segunda etapa do programa,
cujos níveis de exigência poderão ainda ser atingidos com o uso de injeção
eletrônica. Para 97, só os catalisadores irão cumprir os padrões."
Figura 2-7: Alquimia antipoluição
A Figura 2-7 mostra um conversor químico (catalisador) que está sendo
utilizado pelas montadoras de veículos em adequação ao Proconve. O catalisador
fica no escapamento; seu corpo de cerâmica revestido em óxido de alumínio
lembra uma colméia, com milhões de minúsculos canais que contém os metais
ativos que fazem a catálise. Por ele entram as emissões poluentes provenientes do
motor (CO, NOx, HC) e saem os gases já purificados (N2, H2O e CO2).
A partir do texto "O Brasil já tem seu programa" da Folha de
São Paulo, podemos esperar que mesmo com atraso vamos ter a implementação
de um programa de redução de emissões de veículos automotores, que esperamos
seja cumprida.
70
Figura 2-8: Processos de acidificação e neutralização
A partir da Figura 2-8 faça uma síntese do que vimos a respeito:
acidificação da chuva, chuva normal, responsáveis pela acidificação, processos de
acidificação, influências naturais e antropogênicas.
2.3.4 - Efeitos da chuva ácida
A partir das características da chuva ácida, podemos analisar
alguns de seus efeitos.
71
A chuva ácida tem efeitos danosos em quase todos os aspectos
da vida humana, desde materiais, à natureza, até a saúde do Homem.
2.3.4.1 - Efeitos sobre materiais
I
EXPERIÊNCIA No6
Material:
Pedacinhos de mármore
Suco de limão
Vinagre
Solução de HCl
Procedimento:
- Triture alguns pedaços de mármore distribua-os em quatro copos;
- ao primeiro adicione água e observe;
- ao outro, adicione suco de 2 ou 3 limões, observe;
- ao terceiro adicione vinagre, observe;
- ao último adicione ácido clorídrico e observe;
- anote todas as suas observações.
a) As reações observadas, tem alguma coisa em comum? Quais?
b) Por que ocorrem as diferenças nas velocidades de ataque ao
mármore?
c) O que você conclui sobre o efeito da água sobre o mármore?
E dos ácidos?
d) Faça a reação do mármore (CaCO3) com HCl. Qual é o gás
liberado na reação?
e) Faça a reação do H2SO4, presente na chuva ácida, com o mármore.
f) O CaSO4 é chamado de gesso macio, e é facilmente carregado pela
água, e até mesmo pode solubilizar-se nela. O que você imagina que aconteça
com materiais de mármore submetidos à chuva ácida?
Em vários lugares do mundo, a incidência de chuva ácida vem
deixando um rastro de destruição, desde monumentos como o Partenon em
Atenas e o Coliseu em Roma até o Taj Mahal na Índia e obras da civilização
72
Maia no México, para citar os mais conhecidos. Algumas destas obras resistiram
a mais de 2000 anos praticamente intactas, e há questão de duas décadas se
deterioraram mais que desde a construção.
Em Atenas uma das alternativas encontradas foi a de proibir a
circulação de automóveis particulares no perímetro central da cidade quando a
poluição atinge níveis muito altos.
Além de obras de arte famosas, o que a chuva ácida pode atacar?
Os materiais ferrosos também são muito atacados pela acidez da
chuva (veja experiência no 4).
Lembrando que em alguns lugares a acidez da chuva já atingiu
valores de pH inferiores ao do vinagre, o que deve acontecer com automóveis,
portões, grades, materiais de ferro em geral, expostos a chuva ácida?
Os maiores avanços, nesta área, são o desenvolvimento de tintas
e vernizes que protejam por mais tempo os materiais.
É vantagem para fabricantes de tintas anticorrosivas, que se
acabe com a chuva ácida? E para a população é vantagem?
2.3.4.2 - Efeitos sobre a natureza
A vegetação de matas e florestas também sofre vários danos
c o m a o c o rrência de chuva ácida, bem como as terras agriculturáveis.
Normalmente as matas concentram a acidez da chuva de 2 a 4 vezes. Se antes de
cair sobre o solo a acidez da chuva já é elevada, esta concentração nas matas
passa a ter efeitos terríveis: a cera protetora das folhas é destruída, as raízes mais
finas ficam abaladas. Além, disto o Al, Ca, Mg, Na e K são carregados do solo,
bactérias fixadoras de nitrogênio são eliminadas e a formação do húmus é alterada. (O húmus é um agregado orgânico que fixa elementos nutrientes e os cede
conforme as necessidades do solo). Todos estes fatores diminuem a fertilidade das
terras agrícolas e as matas morrem lentamente
"As florestas da América do Norte não foram afetadas pela
chuva ácida. Mas, na Europa, os efeitos parecem devastadores. Na Alemanha
Ocidental, Suíça, França e Áustria, as árvores estão doentes, talvez porque o
s o l o o u o t i p o d e v e getação seja especialmente vulnerável à acidez. Na
Alemanha, uma paisagem desoladora: pinheiros e abetos, antes grandiosos,
apresentam folhagem amarelada, com manchas escuras que provam a falta de
nutrientes (cálcio e magnésio). As árvores mais afetadas já perderam a
73
folhagem: os troncos nus estão cobertos de ramos finos, raquíticos e
quebradiços."
(Superinteressante maio/90).
A função dos elementos químicos N, P, K, Ca, Mg, e S na planta:
Nitrogênio (N) - favorece o crescimento vegetativo e a folhagem mais verde;
Fósforo (P) - formação de raízes,
flores, frutos e sementes. Respiração dos vegetais;
Potássio (K) - resistência das folhas às doenças, formação de carboidratos,colmos resistentes;
Cálcio (Ca) - formação das paredes celulares e raízes. Absorção
de nutrientes;
Magnésio (Mg) - constituinte essencial da molécula de clorofila e
ativador de enzimas;
Enxofre (S) - composição de aminoácidos e vitaminas.
Figura 2-9: Função dos elementos químicos
N, P, K, Ca, Mg e S nas plantas.
Com base na Figura 2-9, justifique por que o texto menciona Ca
e Mg. Por que a falta destes nutrientes provoca os sintomas citados em tal texto?
Como acontece o ataque da chuva ácida sobre estes elementos?
A diminuição do pH de rios e lagos, tem causado grandes
problemas, pois os peixes são muito sensíveis às mudanças de pH, e não resistem
a níveis inferiores a 4,5. Em lagos escandinavos já se verificou o desaparecimento
de certas espécies de peixes, plantas aquáticas e algas, devido a queda de pH nos
lagos, causada pela chuva ácida, que normalmente tem origem a vários
quilômetros dali, nos países industrializados da Europa. Os gases são levados
pelo vento e precipitam-se com a chuva a vários quilômetros de sua origem. No
Brasil, os rios de Santa Catarina, utilizados para lavagem de carvão, apresentam
pH 1, por causa da impregnação pelos compostos de enxofre. O mesmo acontece
74
em esgotos de usinas de cana-de-açúcar, onde são lançados diariamente despejos
ácidos.
N o Rio Grande do Sul, o calcário (CaCO 3) é largamente
utilizado para correção da acidez do solo. Equacione uma possível reação de
neutralização da chuva ácida (H2SO4 e HNO3), que pode estar ocorrendo em
solos gaúchos.
2.3.4.3 - Efeitos sobre a saúde
Fonte: Superinteressante maio/90
Figura 2-10: Efeitos sobre a saúde.
Com base na Figura 2-10, diga por que o efeito da chuva ácida é
principalmente sentido no sistema respiratório.
75
Por que a presença de gotículas ácidas na atmosfera pode ser
um risco para saúde de asmáticos, pessoas com infecções pulmonares, crianças
e velhos?
2.3.5 - Chuva ácida no Brasil
No Brasil já está havendo preocupação com os efeitos da chuva
ácida, principalmente na floresta da Tijuca, Rio de Janeiro, no parque florestal do
rio Doce, nas proximidades do Vale do Aço em Minas Gerais e na Serra do Mar
entre São Paulo e Cubatão, no estado de São Paulo. Por quê?
No Brasil já temos algumas áreas críticas na emissão de
poluentes geradoras de chuva ácida:
CUBATÃO (SP)
"...Há cinco anos, 23 complexos industriais lançavam a cada
dia 4 mil toneladas de impurezas sobre o céu de Cubatão, batizado de `Vale da
Morte'. A cidade continua poluída, mas um ousado plano de recuperação reduziu
os poluentes em 75%..." (Zero Hora, 06 de junho de 1991).
Cubatão ainda não conseguiu controlar totalmente a emissão de
poluentes. Ainda continuam acontecendo em alguns dias, índices alarmantes de
poluição no ar, chegando ao ponto de parar a produção de indústrias por algumas
horas ou dias, mas já existe um começo.
A chuva pode não ser ácida e ser poluída? Como?
"Nos últimos dois anos, a equipe de Lycia Nordemann analisou
a c o m posição das chuvas em seis cidades do litoral brasileiro. 'Nossa
preocupação foi determinar o índice de poluição e não apenas o pH", frisa a
pesquisadora. Como exemplo, ela cita o caso de Cubatão, cidade em que já
havia medido a acidez da chuva há cinco anos. Naquela época, quando Cubatão
era considerado um dos lugares mais poluídos do mundo, o pH da chuva ali era
6,4, ou seja, acima do índice perigoso. Isto porque uma das principais fontes de
poluição, as indústrias de adubos químicos, jogavam no ar toneladas de fosfato
de cálcio que acabavam por neutralizar a acidez da chuva. "o pH da água estava
76
dentro dos padrões, mas havia concentração elevada de poluentes", interpreta
Lycia."
(Superinteressante, maio/90)
REGIÃO CARBORÍFERA DE SANTA CATARINA
No sul do país o carvão mineral é bastante usado para obtenção
de energia, este carvão apresenta um alto teor de enxofre que é oxidado na
queima do carvão nas termoelétricas.
A maior termoelétrica da América Latina é a Jorge Lacerda, em
Imbituba (SC), que consome carvão com um teor de enxofre de 2,5 a 3,0%. Lança
no ar diariamente cerca de 300 toneladas de SO2, o que levou os rios da região a
apresentarem pH entre 2 e 3.
CANDIOTA (RS)
No RS, temos em Bagé, um importante complexo termoelétrico,
a usina termoelétrica Presidente Médici (Candiota), atualmente com a chamada
fase A em operação, e a fase B em construção. Como já podíamos prever, a usina
de Candiota é um grande centro gerador de poluição, seja através da água de
drenagem das minas, emissão de cinzas volantes ou emissão de gases
(principalmente SOx) que causam a chuva ácida.
A Tabela 2-11 apresenta estimativas de emissões gasosas, feitas
por diversos institutos de pesquisas. Para estimar o impacto ambiental das
emissões gasosas de usinas e fábricas, é necessário realizar coletas representativas
em suas chaminés. Lamentavelmente, a chaminé da usina de Candiota foi
construída sem previsão para instalação de amostradores, o que impede a coleta.
Qual sua opinião a respeito da preocupação ambiental na
construção da Usina de Candiota, sabendo que a usina foi concluída em 1986?
Nesta usina só é possível avaliar as emissões gasosas fazendo-se o
balanço entre as massas que entram e saem do sistema e coletando amostras na
77
saída dos precipitadores eletrostáticos3. Mas este processo não é aceito como
prova técnica de poluição pela Secretaria do Meio Ambiente do RS.
Tabela 2-11: Emissões anuais do complexo de Candiota (em toneladas)
SEMA
SO
2
NO
MP
Richter *
Zanella *
CEEE **
Solari
FASE A
38250
10600
11400
17382
10656
FASE B
97150
26900
29000
40138
27400
TOTAL
135400
37500
40400
57520
38056
FASE A
11900
36200
FASE B
30300
92000
TOTAL
42200
128200
FASE A
3650
32500
32100
12187
8640
FASE B
9250
82500
81600
28140
22217
TOTAL
12900
115000
113700
40327
30857
EFICIÊNCIA DOS PRECIPITADORES (%)
92,5
96,0
97,9
Dados extraídos de Martins & Zanella - 1988 (*) e do relatório da CEEE à Secretaria de Meio
Ambiente do Estado sobre geradores de energia térmica - 1986 (**). MP significa material particulado.
3
Precipitador eletrostático é um equipamento utilizado para reduzir sensivelmente a
emissão de cinzas, constituído de um bloco fechado, com chapas que funcionam como
eletrodos, os quais magnetizam as partículas sólidas, fazendo-as precipitarem, evitando
assim que saiam pela chaminé.
78
Embora não existam no Brasil padrões determinados para
emissão de SO2 por carboelétricas, podemos considerar bastante elevado o valor
de 26 kg de SO 2 por tonelada de carvão queimado, lançados pela Usina de
Candiota, quando comparados com valores europeus e norte-americanos, situados
entre 0,12 kg e 3,25 kg de SO2 por tonelada de carvão queimado.
Atualmente a tendência mundial é de instalação de dessulfurizadores para tratamento de gases de combustão. Com estes equipamentos,
vai-se ao encontro de padrões internacionais para emissão de SOx, com redução
do nível de emissão de cinzas e, provavelmente, redução da emissão de poluentes
gasosos (metais e compostos policíclicos). Estes processos necessitam de
investimento, e por isso no Brasil, ainda vigora a tendência de apenas dispersar
as emissões para mais longe, através da construção de chaminés cada vez mais
altas, prática que não é mais aceita como medida de controle na Europa e EUA.
As empresas nacionais ainda não perceberam que mais elevados serão os custos
envolvidos na restauração do ambiente natural e no tratamento de doenças
associadas às emissões dos poluentes.
Baseado na localização geográfica de Candiota, responda
porque a poluição naquela região pode gerar atritos internacionais?
2.3.6 - Combate à chuva ácida
A partir dos textos abordados, sintetize, o que é chuva "normal"
e chuva ácida? Suas características? Seus efeitos e alternativas de controle?
Dê sua opinião a respeito do controle da poluição e o que
você, como cidadão, pode fazer.
2.4 Conclusões
A água, composto tão comum ao nosso dia-a-dia, mas que pode ser
explorada de incontáveis formas diferenciadas...
Aqui procuramos abordar uma gota deste oceano, através do estudo da
chuva numa perspectiva química.
Ao concluir este capítulo temos a certeza que não esgotamos o tema, mas
acreditamos ser este um texto que propicie uma maior clareza sobre os fenômenos
79
envolvidos, bem como uma discussão superficial de conteúdos químicos que
poderão ser aprofundados em uma situação escolar.
80
3 - TRATAMENTO DA ÁGUA
Escrito por Odone Gino Zago Neto
3.1 - Terra, o planeta água
3.1.1 - A formação dos oceanos
Constituindo a maior quantidade de água de nosso planeta, os
oceanos devem sua formação, principalmente, ao período de vulcanismo ocorrido
na Terra primitiva. Praticamente dez por cento (10%) do material ejetado nessas
erupções vulcânicas constituía-se de vapor d'água. Após milhares de anos, esse
vapor acabou por saturar a atmosfera terrestre. Esta saturação fez com que a
atmosfera da Terra primitiva se parecesse com a atual atmosfera venusiana. Observe a Figura 3-1.
Figura 3-1: Erupção vulcânica e a saturação da atmosfera com vapor d'água.
Quando o vapor d'água, liberado pelas erupções, atingia as
camadas mais altas e frias da atmosfera, ocorria o fenômeno da condensação, que
acabava por formar gotas de água no estado líquido. Estas, por sua vez,
precipitavam na forma de chuva. Devido à alta temperatura da superfície
terrestre, as chuvas vaporizavam-se novamente, antes mesmo de tocar o solo.
81
Com o lento resfriamento da superfície, enfim as chuvas tocaram o solo e, por
conseguinte, formaram os primitivos oceanos. Observe as Figuras 3-2 e 3-3.
Figura 3-2: A chuva.
Figura 3-3: Formação dos oceanos.
ATIVIDADES:
J
1) Por que o resfriamento da superfície foi fator determinante para
as chuvas tocarem o solo?
2) Partindo da interpretação do texto e das figuras
acima, a que conclusão poderemos chegar sobre os processos de condensação e
evaporação?
3) Quais componentes da primitiva atmosfera podem ser
responsáveis pelo aparecimento da matéria orgânica? Justifique.
4) Dentre os componentes da primitiva atmosfera, porque só a
água sofre o processo de condensação? Justifique.
5) Qual poderia ter sido a temperatura da superfície terrestre
quando, enfim, as chuvas tocaram o solo?
82
3.1.2 - O interminável ciclo das águas
Já sabemos que o resfriamento da superfície terrestre permitiu
que a água pudesse repousar na forma líquida, mas o período que a água
p e r m a n e c e n o s o l o é i n f in i t o ? Não, as águas da superfície recebem
constantemente energia térmica proveniente do Sol. Essa energia, que é absorvida
pelas moléculas de água, serve para quebrar algumas pontes de hidrogênio,
transformando a água líquida em vapor d'água. A água volatilizada condensa-se
nas alturas e precipita como chuva.
Além do processo de evaporação das águas de superfície, a
transpiração animal e vegetal também auxilia na perpetuação desse ciclo das
águas. Observe a Figura 3-4.
Figura 3-4: Ciclo da água.
J
ATIVIDADES
1) De que forma os seres vivos, ao consumirem água, afetam o
ciclo?
2) Elabore um ciclo d'água em torno da vida humana.
3) As nuvens são formadas por vapor d'água. Em que momento
esse vapor precipita na forma de chuva?
83
4) Qual o tipo de ligação que mantém as moléculas de água
unidas? Explique.
5) A energia solar é absorvida por moléculas de água para
romper as pontes de hidrogênio. No oceano, quais as moléculas que absorverão
essa energia, as das profundidades ou as das superfícies? Justifique.
6) Existem pontes de hidrogênio na água em estado gasoso?
Justifique.
7) Tente justificar a existência de secas e enchentes com base,
apenas, no ciclo da água.
3.1.3 - Água, uma solução
Quando retiramos água de uma fonte e a colhemos em um copo
transparente, por sua aparência, julgamos ter em nossas mãos um copo de água
pura. A análise visual, nesses casos, não basta para fazermos tal afirmação.
Teríamos que realizar análises químicas e, assim, averiguar a existência, em
pequenas quantidades, de outras substâncias químicas nela dissolvidas,
caracterizando, portanto, uma solução.
Devido à grande facilidade de dissolver substâncias, na
natureza, a água encontra-se sempre como uma solução, na qual poderemos não
só encontrar as mais variadas substâncias químicas, como também uma enorme
variedade de microorganismos que nela habitam.
Devemos atentar para o fato de que a água entra em contato
com, praticamente, toda a matéria existente na superfície do planeta, desde os
gases que compõem a atmosfera até os materiais das profundidades dos solos.
Este fato é de fundamental importância para que ela, ao realizar seu ciclo,
contenha dissolvidas tão variadas substâncias.
J
ATIVIDADES
1 ) A água que retiramos da torneira é uma substância pura?
Justifique.
84
2 ) Explique porque a água tem a capacidade de dissolver
diversas substância químicas.
3) A água que compõe as nuvens é uma substância pura?
Justifique.
4) Pesquisa: Observe atentamente os rótulos de águas minerais
de diferentes fontes e averigue as substâncias químicas dissolvidas. Escreva uma
pequena dissertação sobre esse assunto.
5) Com base no texto acima, conceitue, com suas palavras, o
que é uma solução.
3.1.4 - A fonte da vida
A característica da água de dissolver as mais diversas
substâncias é de importância fundamental para que exista vida em nosso planeta.
A ciência atual credita à água dos primitivos oceanos a origem da vida. Essa
solução, contendo diversas espécies químicas, foi com o passar do tempo, promovendo diversas configurações de substâncias que nela realizavam suas
ligações. Após milhões de anos, os primeiros organismos vivos do planeta se
formaram a partir das proteínas. Essa teoria científica se torna mais confiável
quando avaliamos a constituição química dos seres vivos da atualidade: embora
não aparentem, os mesmos possuem grande percentagem de água em sua
constituição. Tal fato não chega a causar espanto pois, deve-se crer que, em
algum ponto da história da Terra, foi na água que a vida se originou. Observe os
dados das Tabelas 3-1 e 3-2.
85
Tabela 3.2: Percentagem de
Tabela 3.1: Percentagem de água em
diferentes organismos
Organismo
% H 2O
Seres humanos
70
Peixes
80
Plantas aquáticas
90-98
J
água em tecidos humanos
ATIVIDADES:
Tecido humano
% H 2O
Muscular
75,6
Epitelial
72
Ósseo
22
1) Moléculas com massa
molecular similar à da água, geralmente, são gases. O fato da
água ser líquida é determinante para a existência de vida em nosso planeta.
Explique esse fato.
2) É aconselhável a um ser humano adulto ingerir em torno de
2 litros de água por dia. Justifique essa afirmativa.
3) Comparando os tecidos muscular, epitelial e ósseo, o que
poderíamos afirmar quanto à rigidez e ao teor da água de sua constituição?
4 ) A f r i t u r a e m ó l e o é realizada com várias espécies
alimentícias. Após a fritura, o volume do alimento aumenta ou diminui?
Justifique.
5) O cozimento de alimentos é muito utilizado em culinária,
pois deixa os alimentos mais macios. Justifique a afirmativa.
3.1.5 - Água para consumo humano
86
As substâncias químicas dissolvidas na água, bem como os
microorganismos que nela habitam, muitas vezes, quando consumidos por seres
humanos, podem causar transtornos à saúde. Devido a essa possibilidade, a água,
utilizada para consumo humano, deve passar por um processo de purificação.
Essa possível existência, na água, de microorganismos patologicamente ativos pequenos organismos que podem causar doenças aos seres humanos - ou de
substâncias químicas cujos efeitos tóxicos sejam evidentes, leva-nos a exercer
nossa cidadania e exigir, dos órgãos competentes, o tratamento da água.
A água que serve para o consumo humano é denominada água
potável. Essa água pode ser consumida em qualquer quantidade, sem provocar
efeitos danosos à saúde. A água potável deve ser isenta de cor, turbidez, gosto e
odor. Também não deve conter substâncias minerais ou orgânicas que possam
produzir efeitos fisiológicos prejudiciais, ou organismos patogênicos que causem
tais efeitos.
Para um bom controle da qualidade da água, as instituições
responsáveis por sua potabilização devem realizar, periodicamente, análises
bacteriológicas e físico-químicas. As primeiras verificarão a existência e a
quantidade de microorganismos, identificando-os como prejudiciais - ou não - à
saúde; ao passo que as segundas determinarão a existência e quantidade dos
compostos químicos dissolvidos em água.
No Brasil, o Ministério da Saúde é o responsável pelos
parâmetros de potabilidade, bem como pela sua fiscalização, segundo consta na
portaria no 36, de 19 de janeiro de 1990. Nessa portaria, encontram-se as normas
e os padrões de potabilidade da água destinada ao consumo humano. Vide as
tabelas 3-3 e 3-4 com dados retirados dessa portaria, e um complemento que
mostra os efeitos tóxicos desses elementos para a saúde.
Tabela 3-3: Componentes inorgânicos e seus efeitos sobre a saúde.
Componentes
inorgânicos que
afetam a saúde
Concentração
máxima permitida
(mg/L)
Efeito tóxico
Arsênio
0,05
Cancerígeno e teratogênico*
87
Bário
1,0
Paralisia muscular
Chumbo
0,05
Cancerígeno e teratogênico
Cianetos
0,1
-------------
Cromo
0,05
Cancerígeno e mutagênico
Mercúrio
0,001
Neurotóxico e mutagênico
Nitratos
10
Metemoglobinemia**
Prata
0,05
-------------
Selênio
0,01
Cancerígeno e mutagênico
*alterações físicas não hereditárias no feto, contrário de mutagênico, que é hereditário.
**problema relacionado às trocas gasosas no interior das células
(para maiores informações ver:RAW, Isaías. Meteglobinemia: células sem ar. Ciência Hoje. V.6, n.32.
Jun.87).
Observações: Na Tabela 3-3 estão representados apenas os principais
efeitos tóxicos, sendo estes variáveis conforme o grau de intoxicação do
indivíduo.
Tabela 3-4: A qualidade organoléptica*
Componentes que afetam a
qualidade organoléptica
Concentração máxima
permitida (mg/L)
Alumínio
0,2
Agentes tensoativos**
0,2
Cloretos (Cl)
250,0
Cobre
1,0
Dureza total (CaCO3)
500,0
Ferro total
0,3
88
Manganês
0,1
Sólidos totais dissolvidos
1000,0
Sulfatos(SO4)
400,0
Zinco
5,0
*referente ao gosto, odor e sabor.
**sabões e detergentes.
ATIVIDADES
J
1) Foram realizadas análises quantitativas de arsênio, bário,
chumbo, mercúrio, alumínio, cobre e manganês em quatro amostras de
águas e os resultados estão representados na Tabela 3-5.
a) Com base nos dados das Tabelas 3-3 e 3-4, verifique se estas
águas estão de acordo com os parâmetros de potabilidade vigentes no Brasil.
Justifique sua resposta.
b) Se forem ingeridas, quais os efeitos que as águas analisadas
poderão causar?
Tabela 3-5: Amostras analisadas
Componente
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3
Amostra 4
Arsênio
----
0,05 mg/L
0,001 g/L
0,001 mg/L
Bário
0,8 mg/L
0,5 mg/L
0,001 mg/L
1,0 g/L
Chumbo
----
0, 005 mg/L
0,05 mg/L
0,01 mg/L
Mercúrio
----
0,0001 mg/L
----
0,01 g/L
89
Alumínio
0,1 mg/L
0,18 mg/L
0,2 mg/L
0,01 g/L
Cobre
1,09 mg/L
0,89 mg/L
----
0,9 mg/L
Manganês
0,01 mg/L
0,1 mg/L
1,0 mg/L
0,98 mg/L
c ) Para a água ser considerada potável só a análise
apresentada na Tabela 3-5 é suficiente? Justifique.
2) São apenas as substâncias químicas, presentes na água, que
podem ser prejudiciais aos seres humanos? Justifique.
3) Escreva um texto sobre a importância das análises químicas
no processo de tratamento d'água para consumo humano.
4) Pesquisa: Os agentes tensoativos, citados na Tabela 3-4, são
na realidade sabões e detergentes que se solubilizam em água. Segundo o
Ministério da Saúde, o que pode ocorrer se ingerirmos uma água com mais de
0,2 mg/L de tensoativos?
3.1.6 - Distribuição da água em nosso planeta
90
Por vivermos em
terra firme, temos pouca noção da
quantidade de água que nos cerca.
Em nosso planeta, apenas vinte
por cento da superfície é coberta
por terra firme, todo o restante é
coberto por água. Do total da água
existente no globo, 93,96% está
nos oceanos (observe a Figura 35). Ao homem, interessa a água
que possa ser potabilizada com
menor gasto de energia,
enquadrando-s e n e s s e c a s o a s
águas dos lagos, dos rios, das
geleiras e do subsolo. Observe que
os 93,96% das águas oceânicas
não se enquadram nesses casos, já
que a água oceânica, para ser
consumida, necessita, obrigatoriamente, ser dessanilizada,
dispendendo assim uma grande
quantidade de energia, que acaba
encarecendo muito o produto final
- a água potável.
Observando a figura, verificas e q u e , m e s m o s e n d o a p enas
6,04%, a água fresca está longe de
ser considerada escassa. Porém, se
com a quantidade nossa preocupaFonte: Superinteressante
ção torna-se nula, não poderemos
Figura 3-5: Distribuição da água
dizer o mesmo quanto à qualidade.
A m e dida que o tempo passa,
observa-se o aumento da poluição das águas e, deveremos, cada vez mais, voltar
nossas preocupações para esse problema. Do contrário, o que hoje parece ser o
sonho da abundância, amanhã poderá ser o pesadelo da falta.
91
ATIVIDADES
J
1) Por que as águas oceânicas não são consideradas águas frescas?
2) Qual é o estado físico das águas das geleiras? Essa
água é considerada fresca?
3) Por que os icebergs flutuam nas águas oceânicas?
4) Como o ciclo da água auxilia na distribuição da água em
nosso planeta?
5 ) As águas, distribuídas em nosso planeta, possuem características químicas iguais? Justifique.
6) Qual a importância dos lagos como fonte de água potável?
3.1.6.1 - Oceanos
Todos nós conseguimos diferenciar, através do gosto, a água
doce da água salgada e parece-nos bastante satisfatório considerar as águas dos
oceanos e mares como águas salgadas e as águas dos lagos, rios, geleiras e
subsolo como águas doces (apesar de não serem). Mas, quimicamente, essa é apenas uma das diferenças entre a água dos oceanos e mares das outras águas. Veja
na Tabela 3-6 a comparação das substâncias químicas presentes nas águas do rio
Amazonas e as dos oceanos.
J
ATIVIDADES
1) Sabe-se que 1 mol de sal de cozinha tem 58,5 g (23 g de sódio e
35,5 g de cloro). Numa solução aquosa existem 2 mols de sal de cozinha
(NaCl). Quantas gramas deste sal existem na solução? Quantas gramas
de íons sódio existem nessa solução? Qual é a massa, em gramas, de íons
cloreto?
92
Tabela 3-6: Os sais e suas concentrações em água.
Íons
Amazonas (mg/L)
Oceanos (mg/L)
Na+
0,00161
11035
Mg2+
0,00049
1330
Ca2+
0,0056
418
K+
0,0020
397
Cl-
0,0025
19841
SO42-
0,00096
2769
HCO3-
0,018
146
Observação: A Tabela 3-6 foi elaborada a partir de dados emitidos pelo Laboratório Hidrográfico de
Copenhage (águas oceânicas) e do livro Química Geral de Masterton & Slowinski (águas do
Amazonas).
2) Se todo íon sódio (Na+) transforma-se em um componente do
sal de cozinha (NaCl), após a evaporação da água marinha, quantas gramas deste
sal teríamos em 5 litros dessa água?
3) Se todos os íons cloreto (Cl -) integrarem a formação do
cloreto de sódio (NaCl), após a evaporação de 5 litros de água do rio Amazonas,
quantas gramas deste sal seriam obtidas?
4) Compare as respostas das questões 2 e 3 e transcreva suas
observações.
5) Comparando as concentrações de Cl- e HCO3- nas águas do
rio Amazonas, o que se verifica?
93
6) Comparando as concentrações de Cl - e HCO 3- nas águas
dos oceanos, o que se verifica?
7 ) Compare as respostas das questões 4 e 5 e anote suas
conclusões.
8) Nas águas dos rios, é mais comum encontrar o sal NaHCO3
(bicarbonato de sódio) ou o NaCl (cloreto de sódio)? Justifique. E nos oceanos?
Justifique.
A Figura 3-6, abaixo, tenta demonstrar o motivo da grande
concentração de sais nas águas dos oceanos. Observe-a atentamente.
Figura 3-6: A água como solução.
ATIVIDADES:
J
1) A Figura 3-6 representa um ciclo parcial da água. Aplicando seus
conhecimentos, elabore um texto que verse sobre o ciclo da água.
2) Explique como ocorre a dissolução dos gases da at-
mosfera na água da chuva.
94
3 ) Durante o processo de evaporação, qual a substância
química que muda de estado físico para a formação das nuvens?
4) Qual a diferença entre evaporação e ebulição? Pesquise.
5) Os sais evaporam na temperatura ambiente? Justifique.
6) O que acontece com os sais que acompanham as águas dos
rios e desembocam nos oceanos?
7) A Figura 3-6 mostra um processo que ocorre há milhões de
anos. Procure, com base nesta figura, justificar a grande quantidade de sais
dissolvidos nas águas oceânicas.
Tabela 3-7: Alguns componentes da água oceânica
Componente
Concentração
(10-6 g/L)
Componente
Concentração
(10-6 g/L)
Arsênio
4,3
Cádmio
0,001
Bário
2
Chumbo
------
Cianetos
------
Sódio
11.030.000
Cromo
0,1
Cloretos
19.840.000
Mercúrio
0,001
Cobre
-----
Prata
-----
Ferro total
2
Selênio
-----
Manganês
10
Nitrogênio*
150.000
Zinco
4,9
Iodo total
60
Bromo
67.000
Alumínio
2
* A concetração do nitrogênio inclui, ainda, a concentração de nitratos, nitritos e amônio.
95
8) Compare dados da Tabela 3-7 com os dados apresentados nas
Tabelas 3-3 e 3-4. Solucione as questões abaixo com base nessa comparação.
a ) A água do oceano pode ser consumida sem problemas?
Justifique.
b) Quais as diferenças na constituição da água potável e da
água oceânica?
c) Se você estivesse perdido em alto mar, sem água para beber,
você beberia a água do oceano? Justifique.
9) Nas salinas retira-se, por evaporação da água, o cloreto de sódio das
águas marinhas. Essa água que evaporou, quando novamente liquefeita, poderá
ser consumida? Por quê?
10) A água é um líquido na temperatura ambiente. Sabe-se que as
massas sofrem os efeitos da força da gravidade. Existe uma interação
gravitacional entre a Terra e a Lua que tem efeito sobre os líquidos da Terra.
Pesquise e explique as marés.
3.1.6.2 - Águas da superfície e águas subterrâneas
Em nosso planeta a água se distribui não só na superfície como
abaixo dela. Chamamos águas de superfície as águas dos oceanos, mares, lagos e
rios. As águas subterrâneas são aquelas situadas abaixo da superfície, em lençóis
d'água.
Observe atentamente a Tabela 3-8 e analise as diferenças entre
as águas de superfície e as águas subterrâneas.
96
Tabela 3-8: Comparando águas superficiais e subterrâneas.
Águas de superfície
Águas subterrâneas
1) Provêm da água das chuvas
1) Provêm de águas infiltradas no solo
2) Possuem muitos microorganismos
2) Possuem poucos microorganismos
3) Possuem, em geral, bastante matéria
orgânica
3) Possuem, em geral, pouca matéria
orgânica
4) Possuem poucas substâncias minerais
4) Possuem, geralmente, bastante
substâncias minerais
5) São turvas (geralmente)
5) São isentas da turbidez (geralmente)
6) São mais quentes que as águas
subterrâneas
6) São mais frias que as águas de
superfície
J
ATIVIDADES
1) Como se formam os lençóis de água?
2) Por que as águas de superfície são mais turvas?
3) Por que as águas subterrâneas são, geralmente, mais claras
e frias?
4) Por que a água superficial tem mais matéria orgânica e a
subterrânea mais substâncias minerais?
5) Você saberia dizer de onde vem a matéria orgânica das
águas da superfície?
6 ) De onde provêm os minerais dissolvidos nas águas
subterrâneas?
7) Os tratamentos de potabilização das águas de superfície e
das águas subterrâneas serão iguais? Justifique. E entre as diferentes águas que
compoem as águas de superfície, serão iguais? Justifique.
97
Analise atentamente a Figura 3-7 que apresenta a formação do
lençol freático.
Figura 3-7: A formação de um lençol freático.
J
ATIVIDADES
1) Como a terra e as rochas atuam na água que nelas penetra?
2) Considera-se as águas subterrâneas como a maior
fonte de água fresca. Por quê?
3) Segundo o ditado popular "Água mole, pedra dura; tanto bate
até que fura", como você justificaria quimicamente a veracidade desse ditado?
4 ) Tente explicar porque as águas subterrâneas têm menos
microorganismos que as águas de superfície.
5) Equacione a reação dos gases representados na Figura 3-7
com a água.
6) Proponha como ocorre a formação dos sulfatos e carbonatos
no lençol freático.
98
7) Considerando a Tabela 3-9, responda: os três tipos de águas
são soluções de constituição química igual? Justifique.
Tabela 3-9: Distribuição de água fresca na crosta terrestre
Para cada 10 litros de água fresca
0,1 Litros
Rios e lagos
2,7 Litros
Geleiras
7,2 Litros
Águas subterrâneas
8) Do que depende a constituição química das soluções em que
aparece a água natural?
9) A água dissolve os sólidos na temperatura ambiente. Quando
uma água salgada congela, o sal também congela? Justifique.
10) A água contida nas geleiras foi utilizada largamente pelas
civilizações Incas. Em Machu Pichu, ainda hoje, é possível ver os admiráveis
dutos que conduziam as águas derretidas das geleiras andinas. Elabore um
desenho que mostre a absorção de energia solar pelas moléculas da água, no
estado sólido, e a posterior passagem destas ao estado líquido.
11) A água numa temperatura de 70oC dissolve mais sais que
na temperatura de 20oC. Justifique essa afirmativa.
3.2 - A qualidade física da água potável
Para que tenhamos uma água adequada para o consumo humano, deveremos levar em conta as qualidades físicas e químicas dessa água. As
qualidades físicas são facilmente percebidas pelos órgãos dos sentidos e, muitas
vezes, é por causa delas que deixamos de beber uma água. Dentre as características físicas da água, poderíamos citar a cor, o gosto, o odor e a turbidez.
99
3.2.1 - A cor nas águas
A cor na água pode ter origem em substâncias inorgânicas
(minerais) ou orgânicas (geralmente vegetais). Acompanhe a Tabela 3-10.
Tabela 3-10: A cor das águas
Origem mineral da cor
Origem orgânica da cor
Ferro, manganês,
resíduos industriais
Taninos, algas, plantas
aquáticas, protozoários,
resíduos industriais
Para a avaliação da cor, foi necessário criar uma unidade
apropriada. Essa unidade é obtida por comparação de uma amostra com uma
solução padrão de cloroplatinato de potássio com cloreto cobaltoso. Esta solução
padrão é muito utilizada porque sua coloração é similar a das águas naturais, dos
rios e lagos (marrom amarelada). Considera-se uma unidade de cor (uH), a cor
produzida por 1 mg de íon cloroplatinato num litro de água.
J
ATIVIDADES
1) O que significa a água estar com cor?
2) Digamos que você e sua família passaram afastados
de casa por uma semana. No retorno, você está com sede, abre a torneira e a água
que sai tem uma cor marrom. Tente justificar essa coloração.
3) As águas naturais possuem cor? Justifique.
4) Algas são plantas aquáticas, geralmente, clorofiladas. Águas
contendo algas, em geral, possuem que cor? Justifique.
5) Segundo a portaria nº 36 de 19 de Janeiro de 1990, emitida
pelo Ministério da Saúde, o valor máximo permitido para a cor numa água
potável é de 5 unidades de cor. Observe a Tabela 3-11, abaixo, e diga quais
destas águas, no Brasil, são consideradas dentro do padrão de cor. Justifique.
100
Tabela 3-11: Cores em amostras de água
Amostra
Cor
Água 1
1,5 mg/L de íon cloroplatinato
Água 2
5,2 mg/L de íon cloroplatinato
Água 3
6,3 mg/L de íon cloroplatinato
3.2.2 - O odor e o sabor em águas
Tanto o odor quanto o sabor são características da água
avaliadas pelos órgãos do sentido. A água possuir odor ou sabor não é fator
determinante para não considerá-la potável. Poderemos, isto sim, considerá-la
imprópria para consumo, mas por motivos estéticos.
As fontes de odor e sabor podem ser de origem artificial ou
natural. As principais estão na Tabela 3-12.
Tabela 3-12: Odor e sabor das águas
Fontes naturais
Fontes artificiais
Algas,vegetação em decomposição,
bactérias e fungos. Compostos
inorgânicos (cloretos, sulfetos, etc).
Águas residuais domésticas e
industriais.
O odor é uma das formas de averiguar a existência de certos
produtos químicos na água. Algumas substâncias químicas tóxicas possuem
cheiro característico, como clorobenzenos, clorofenóis, fenóis e sulfeto de
hidrogênio.
101
J
ATIVIDADES
1) Por que a água natural possui gosto e/ou odor?
2) Poderíamos tomar uma água com gosto e odor sem
perigo? Justifique.
3) Os resíduos domésticos e industriais podem ser considerados
poluidores das águas? Justifique.
4) Tanto líquidos quanto sólidos podem se transformar em
gases na temperatura ambiente. A naftalina, usada para proteger as roupas das
traças, é um sólido que sublima e emana um cheiro característico. Explique como
o odor de uma substância se propaga.
3.2.3 - A turbidez em águas
A turbidez é atribuída a partículas sólidas em suspensão. Estas
reduzem a transmissão de luz através do líquido. A turbidez pode ser provocada
pelo plâncton (seres vegetais e animais de tamanho microscópico que são
transportados passivamente pelas correntes marítimas), algas, detritos orgânicos,
zinco, ferro, compostos de manganês, silicatos, despejos industriais e domésticos.
A desinfecção é a parte do processo de tratamento da água que
fica mais prejudicada pela turbidez.
ATIVIDADES
J
1) Por que a água natural pode possuir turbidez?
2) Qual é a diferença entre turbidez e cor?
3) Poderíamos tomar uma água turva sem perigo? Justifique.
4) Uma solução aquosa é formada por um solvente (água) e um
soluto (substância dissolvida). O soluto pode ter vários tamanhos, desde um
pequeno íon a um complexo com muitos átomos. Qual o tamanho mais provável
102
das substâncias que produzem turbidez, grandes ou pequenas? Justifique. E a
cor? Justifique.
3.3 - Características químicas da água potável
3.3.1 - O potencial de hidrogênio nas águas (pH)
O potencial de hidrogênio (pH) corresponde a uma escala que
varia de 0 a 14, e avalia a concentração de íons hidrogênio (H+) em uma solução.
A água, como substância pura, possui pH neutro (pH = 7).
A água natural, para ser consumida e devidamente tratada, deve
passar por dois processos de medição do pH. Um para averiguar o pH na entrada
da estação de tratamento (pH da água bruta), e outro na saída da estação, para
saber o pH da água já tratada e pronta para o consumo. Se o pH da água bruta for
ácido (pH < 7), a parte do processo de tratamento que visa a sua clarificação fica
prejudicado. Se o pH for superior a 9, a água deve ser recusada para consumo.
Essa água é considerada imprópria para a potabilização pelos processos de
tratamento usuais.
Para maiores detalhes sobre pH consulte o Capítulo 2 deste
livro.
ATIVIDADES
J
1) O que significa dizer que as águas naturais, geralmente, tem o
pH próximo do neutro?
2 ) As águas naturais são ácidas ou básicas?
Justifique.
3) Águas com pH acima de 9 são recusadas. Estas águas são
ácidas? Justifique.
4) Para evitar problemas no processo de tratamento, as águas
com pH menor que 6,5 devem ser alcalinizadas com CaO. Tente mostrar como
ocorre esse processo através da reação do cal virgem (CaO) com a água.
103
3.3.1.1 - O pH das águas minerais
Dispostas em prateleiras de qualquer supermercado, as águas
minerais são amplamente consumidas por serem consideradas mais salutares. Na
realidade, as águas minerais são águas subterrâneas que se formam conforme
mostra a Figura 3-7. Existem águas minerais alcalinas, ácidas, magnesianas,
sulfurosas, ferruginosas, radioativas e termais, dependendo da composição
química do solo da região onde a fonte natural está localizada.
A água contida no lençol freático pode sair do subsolo,
basicamente, de duas formas: através das fontes naturais ou por poços construídos
com vistas à utilização das mesmas.
Na Tabela 3-13, pode-se observar a composição química de uma
água mineral vendida no mercado, segundo o que consta em seu rótulo.
Observe que essa composição apresenta dois tipos de sais: sais
com características neutras (NaCl, KCl) e sais com características básicas
(NaHCO3,...). Para elucidar mais essa questão, vamos nos valer dos conceitos de
hidrólise e de dissociação. A hidrólise consiste na reação que ocorre entre
substâncias químicas quando estas entram em contato com a água. A dissociação
consiste na separação que ocorre entre os íons formadores da substância química.
A dissociação pode ocorrer na presença de água ou não. No processo de hidrólise
a dissociação ocorre com o auxílio das moléculas de água, nesse caso estas
moléculas também se dissociam dando origem a íons H + e O H -. S e a
concentração entre esses íons for diferente diremos que ocorreu hidrólise, nesse
caso também ocorrerá alteração do pH da solução. Caso este não mude e a
substância química se dissolva na água diremos que esse composto não sofreu
hidrólise e sim uma dissociação. Em resumo poderíamos dizer que na hidrólise
sempre ocorre dissociação, mas nem sempre que ocorre dissociação ocorrerá a
hidrólise.
104
Tabela 3-13: Composição química de uma amostra de água mineral.
Composto
Fórmula
Concentração (g/L)
Sulfato de Cálcio
CaSO4
0,0921
Bicarbonato de Cálcio
Ca(HCO3)2
0,0505
Bicarbonato de Magnésio
Mg(HCO3)2
0,0277
Bicarbonato de Sódio
NaHCO3
0,1418
Cloreto de Sódio
NaCl
0,0285
Cloreto de Potássio
KCl
0,0032
Resíduo de evaporação
à 453 K (180ºC)
0,3040
pH a 298 K (25ºC)
7,5
Vamos analisar o sulfato de cálcio, primeiro componente de
nossa água mineral. Vejamos se ele sofre hidrólise ou simplesmente dissociação.
Observe que se o sal sofresse hidrólise formar-se-ia um ácido e uma base fortes
{Ca(OH)2 e H2SO4}. Esses produtos possuem um grande grau de dissociação em
água. Como esses produtos da reação, se formados, reagiriam rapidamente,
mantendo o pH da solução, poderemos dizer que esse sal não sofre hidrólise,
sofre sim dissociação.
Vamos, agora, analisar a hidrólise do bicarbonato de sódio, um
componente de nossa água mineral.
NaHCO3 + H2O ⇔### NaOH + H2CO3
sal de hidrólise
base forte ácido fraco
básica
NaOH
⇒ Na+ + OH-
105
H2CO3 ⇒ H+ + HCO3Nesse caso, vejamos que a base formada (NaOH) é uma base de
grande dissociação em água (base forte) e que o ácido formado (H2CO3) é um
ácido de pouca dissociação em água. Logo, observa-se que a concentração de íons
OH- no conjunto das reações é maior que a concentração de H+. Assim ocorrerá
uma mudança no pH de uma solução em que é adicionado NaHCO3 (torna a
solução básica).
J
ATIVIDADES
1) Equacione a hidrólise de cada um dos componentes da água
mineral que está representada na Tabela 3-13.
a) Quais possuem características básicas?
b) Quais possuem características neutras?
c) O fluoreto de potássio (KF) possui característica ácida ou
básica? Justifique através da reação de hidrólise.
2) O CO2 (gás carbônico) é muito utilizado pelas empresas de
engarrafamento para gaseificar refrigerantes e águas minerais. A adição do CO2
influencia no pH? Justifique.
3) Qual é a origem da água mineral?
4) O bicarbonato de sódio é largamente utilizado como
antiácido. Explique por que, com base na reação de hidrólise desta substância.
5) Sendo a base KOH uma base forte e o HF um ácido moderado, uma solução contendo 0,1 mols de cada substância terá maior
concentração de íons H + ou OH -? o pH desta solução será ácido ou básico?
Justifique as duas respostas.
106
I
3.3.1.2 - Destilação: um experimento
1º Passo: construir um destilador4
Material necessário
1 lâmpada (queimada) de vidro transparente;
1 borracha escolar;
1 m de tubo de plástico de 0,5 cm de diâmetro;
1 garrafa de plástico de 1,5 litro (de água mineral);
Arame;
Pedaços de madeira;
Cola ou massa epóxi.
Construção
1 - Com um ferro quente (uma chave de fenda), faça um furo, com o
diâmetro da mangueira, na garrafa, na posição indicada na figura abaixo;
4Adaptado do livro: Química - Beltran e Ciscato - São Paulo: Cortez, 1991.
107
2 - Por esse furo, introduza a mangueira e vede o furo com cola ou
massa epóxi;
3 - Torça a mangueira, de maneira que ela fique
enrolada como na figura ao lado (Tenha cuidado para não
deixar a mangueira enrolada com trechos ascendentes. Isso
dificultará a destilação)
4 - Segure a lâmpada com um pano grosso e, com
uma chave de fenda, quebre o fundo e retire o filamento de
metal e o seu suporte de vidro (observe a figura abaixo).
Você terá, assim, um balão de vidro;
5 - Corte uma borracha escolar de modo que ela sirva de tampa para o
balão. Faça um furo nesta tampa com o diâmetro igual ao da mangueira
(observe a figura ao lado);
108
6 - Com madeira e arame, monte o suporte para o destilador.
FONTE: Beltran e Ciscato
Como fazer funcionar o destilador
1 - Destape o balão do destilador (lâmpada) e coloque o líquido a ser
destilado no máximo até a metade da altura do balão;
2 - Encha o condensador (garrafa de plástico) com água fria;
3 - Acenda a lamparina e aqueça o balão que contém o líquido a ser
destilado;
4 - Regule a distância da lamparina ao balão, a chama da lamparina e o
comprimento da mangueira, a fim de obter uma destilação mais eficiente.
2º Passo: o experimento, no qual você anotará tudo que ocorrer.
109
Material
Um copo de água mineral básica (verifique no rótulo);
Um copo de água mineral ácida (verifique no rótulo);
Papel indicador universal.
Procedimento
1 - Pingue uma gota da água mineral básica (pH > 7) sobre um pedaço
de papel indicador. O papel mudou de cor?
2 - Pingue uma gota de água mineral ácida (pH < 7) sobre um pedaço
de papel indicador. O papel mudou de cor?
3 - Realize a destilação da água mineral básica e faça a medida do pH
do destilado (basta pingar uma gota do destilado no papel indicador e averiguar
qual coloração que este adquire).
4 - Realize a destilação da água mineral ácida e faça a medida do pH do
destilado.
J
ATIVIDADES (Relacionadas ao experimento)
1) Explique o processo da destilação.
2) A primeira medida do pH conferiu com a indicação
do rótulo? Caso contrário, tente justificar.
3) O pH do destilado é igual ao da água antes do processo da
destilação? Explique.
4) O que significa obteremos um pH para o destilado que se
aproxima do pH neutro?
3.3.2 - A alcalinidade das águas
110
U m a á g u a é
considerada alcalina quando possui a
concentração de íons OH - maior que a
concentração de íons H+ (pH básico). A
água que possui características alcalina é
capaz de consumir ácidos, para que seu
pH chegue a um valor neutro ([OH-] =
[H+]).
A alcalinidade é causada, geralmente,
pela presença de carbonatos (CO3--) e
bicarbonatos (HCO3-).
A alcalinidade é medida através de
uma titulação da amostra contra o ácido
sulfúrico (H 2SO4) ou ácido clorídrico
(HCl) na presença de um indicador
adequado. A titulação corresponde a um
processo de dosagem volumétrica de um
titulante, que no caso da alcalinidade, é o
ácido sulfúrico ou clorídrico, que atua na
amostra contendo um indicador. O indicador é, geralmente, uma substância
que varia de cor com a variação do pH. A
titulação finaliza-se quando o indicador
altera sua coloração. Observe a Figura 38.
Para averiguar a alcalinidade das
águas naturais, geralmente utilizamos um
Figura 3-8: Buretas
indicador chamado misto que apresenta
mudança de cor entre o pH 4,6 e 4,4 ou o
indicador fenolftaleína que muda de cor entre o pH 8,0 e 8,3.
Quando utilizamos o indicador misto chamamos o resultado obtido de
alcalinidade total. Já quando usamos a fenolftaleína chamamos o resultado de
alcalinidade à fenolftaleína.
111
J
ATIVIDADES
1) Elabore os processos de hidrólise do carbonato de cálcio e do
b i c a r b o n a t o d e c á l c i o e explique porque eles influenciam na
alcalinidade da água.
2) A alcalinidade influencia no pH? Justifique.
3) O que é maior: a alcalinidade total ou a alcalinidade à
fenolftaleína? Justifique.
4) Na Tabela 3-14, abaixo, estão tabelados quatro indicadores:
Tabela 3-14: Faixa de viragem de diversos indicadores.
Coloração
Zona de
Indicador
Solução Ácida
Solução Básica
Transição (pH)
Azul de Timol
Vermelho
Amarelo
1,2 - 2,8
Alaranjado de Metila
Vermelho
Amarelo
3,1 - 4,4
Vermelho de Cresol
Amarelo
Vermelho
7,2 - 8,8
Amarelo de
Alizarina
Amarelo
Lilás
10,0 - 12,0
Quais dos indicadores podem substituir, com menor margem de
erro, a fenolftaleína e o indicador misto na determinação da alcalinidade?
Justifique.
112
3.3.3 - A dureza das águas
Considera-se água dura a água que possui cálcio e magnésio em
proporções que impossibilitem a ação detergente dos sabões.
Segundo uma convenção internacional, a dureza total da água é
dada em milimol/litro, segundo a classificação apresentada na Tabela 3-15.
Tabela 3-15: Dureza em águas
Classificação
10-3mol/L
mole
até 1,3
média
1,3 - 2,5
dura
2,5 - 3,8
muito dura
acima de 3,8
A dureza excessiva da água pode causar transtornos, tais como:
•corrosão de encanamentos;
•deposição de calcário nos utensílios domésticos;
•problemas na detergência dos sabões.
As reações abaixo representam a ação das águas duras sobre os
sabões.
2 R-COO-Na+ + Ca++(aq) ⇒ (R-COO-)2Ca++ + 2 Na+(aq)
(sabão)
(insolúvel em água)
A dureza se classifica em dureza de carbonatos (temporária) e
d e n ã o c a rbonatos (permanente). A Tabela 3-16 apresenta as principais
substâncias que causam a dureza nas águas.
113
Tabela 3-16: Substâncias responsáveis pela dureza de águas.
J
Dureza de carbonatos
Dureza de não-carbonatos
CaCO3; MgCO3;
CaSO4; MgSO4; CaCl2; MgCl2;
Mg(HCO3)2; Ca(HCO3)2
Ca(HCO3)2; Mg(NO3)2
ATIVIDADES
1 ) Quais os agentes ativos da dureza e a qual grupo da tabela
periódica pertencem?
2) Uma água dura, quando aquecida, deposita calcário. Esse
processo é bem visível em chaleiras e panelas. Quando o carbonato perde CO2,
qual é o resultado? Equacione a reação de decomposição do carbonato de cálcio.
3) Por que a dureza de carbonatos é considerada temporária?
Os carbonatos se decompõem mais facilmente que os não carbonatos?
3.3.3.1 - Dureza: um experimento
I
Água Mole e Água Dura5
A água é considerada "dura" quando apresenta certos íons que
fazem com que uma solução de água e sabão não espume ou espume
muito pouco. É considerada mole quando esta solução espuma abundantemente.
Nesta experiência, serão acrescentadas diferentes substâncias
iônicas a uma mistura de água e sabão com o intuito de identificar, entre os íons
acrescentados, quais conferem dureza à água. Em seguida, será observado o
comportamento de detergentes na "água dura" preparada.
Material
5Adaptado do livro: Unidades Modulares de Química. Angélica Ambrogi et alii. Hamburg, São Paulo,
1987.
114
3 etiquetas
4 tubos de ensaio
3 rolhas
1 espátula
estante para tubos de ensaio
sabão
detergente líquido
carbonato de sódio (sólido)
cloreto de cálcio (sólido)
cloreto de sódio (sólido)
Procedimento
A. Etiquete três tubos de ensaio e identifique-os como 1, 2 e 3. Em cada
um, adicione mistura de água e sabão até cerca da metade da altura. No tubo 1,
acrescente uma pequena quantidade de cloreto de cálcio; no tubo 2, igual quantidade de carbonato de sódio. Tampe os tubos e agite-os.
1) Por que o tubo 3 foi utilizado nesta experiência?
2) Em qual dos tubos a água é mais "dura"? Quais os íons
acrescentados a esse tubo?
3) No tubo 1 estão dissolvidos íons Ca2+ e Cl-; no tubo 2 estão
dissolvidos íons Na+ e CO32-. Quais desses tipos de íons não conferem dureza
à água? Justifique, com base nos resultados obtidos.
4) Na próxima etapa do procedimento, você adicionará cloreto
de sódio a uma nova solução de água e sabão. Procure descobrir a razão deste
procedimento.
B. Prepare, em um tubo limpo, uma nova solução de água e
sabão, acrescente pequena quantidade de cloreto de sódio, tampe e agite.
115
1) Escolha, entre os seguintes íons, aquele que dissolvido em
água acarreta a propriedade denominada "dureza da água": Na+, Ca 2+, Cl -,
CO32-.
2) O sal de cozinha acarreta dureza na água?
C. Lave um dos tubos de ensaio, acrescente água até cerca da
metade da altura. Junte pequena quantidade do reagente que tornará a água
dura. Em seguida pingue 1-2 gotas do detergente. Tampe o tubo e agite-o.
1) A que conclusão você chegou?
2) As águas oceânicas possuem teores altos de Ca 2+ e Mg 2+. Poderíamos considerar essas águas como duras?
3.4 - A poluição das águas
Os seres humanos, diferenciados de outros animais têm a
característica de, ao interagirem com o meio em que vivem, interferem no seu
equilíbrio. A água, fator supremo da vitalidade, também sofre as conseqüências
dessa interação.
A efetiva poluição da água possui um histórico recente e de
grande impacto sobre o meio ambiente. Foi a partir de 1800 que os países
europeus começaram a se utilizar de sistemas de esgotos. Poucos anos após,
devido ao consumo de água sem o tratamento adequado, ocorreram graves
epidemias como a cólera e a febre tifóide - algo realmente catastrófico. A
revolução industrial, que teve seu início na segunda metade do século XIX,
auxiliou grandemente o aumento da poluição das águas. De lá para cá, as atitudes
humanas não mudaram muito. Até hoje, indústrias continuam lançando nas
águas e no ar seus rejeitos, bem como nossas residências também o fazem. Os
itens que seguem a este são uma análise química da poluição de nossas águas.
3.4.1 - Oxigênio dissolvido em água
116
O oxigênio, como outros gases, dissolve-s e n a á g u a e m
pequenas quantidades. Esse gás, tanto quanto a água e a alimentação, é de
fundamental importância para a perpetuação da vida. Se um rio está com pouco
oxigênio dissolvido em água, os peixes e plantas poderão não sobreviver nele.
Os poluidores orgânicos, que são produzidos por dejetos
industriais e residenciais, geralmente são a causa da "morte dos rios". Considerase um rio "morto" quando este não consegue manter organismos vivos em seu
leito. O processo poluidor é o seguinte: bactérias aeróbicas usam o O2 dissolvido
em água para degradar os compostos orgânicos (biodegradáveis), transformandoos em CO2. Quando existe muita matéria orgânica esse processo reduz o O 2
dissolvido em água - a vida animal e vegetal pode não sobreviver. Permanecendo
o processo de degradação dos compostos orgânicos, as próprias bactérias
aeróbicas, por falta de O2, começam a morrer e sua função é preenchida pelas
bactérias anaeróbicas. Só que essas, ao invés de formar CO2, formam CH4, NH3
e H2S, gases tóxicos e poluentes.
A dissolução do oxigênio em água depende, entre outros fatores,
da temperatura em que a água se encontra. A Tabela 3-17 apresenta a variação
das concentrações de O2 e CO2 em relação à temperatura.
Tabela 3-17: Solubilidade do O2 e CO2 em H2O
litros de gás por litro de água
Temperatura (ºC)
O2
CO 2
0
0,0489
1,713
5
0,0429
1,424
10
0,0380
1,194
15
0,0342
1,019
20
0,0301
0,878
25
0,0283
0,759
117
J
30
0,0261
0,665
35
0,0244
0,592
ATIVIDADES
1) Elabore um gráfico do volume de gás dissolvido por litro de água,
para o gás oxigênio, versus a temperatura (t). Com outra cor, acrescente
ao gráfico os dados para o gás carbônico. Compare as duas curvas e
anote suas observações.
2) Pesquisa a reação de fotossíntese.
3) Explique a relação CO2 / O2 na fotossíntese e justifique a colocação
de plantas em aquários.
4) Uma colônia de bactérias, ao consumir completamente o
composto orgânico biodegradável abaixo, produz 352 g de CO2. Quantos gramas
de O2(g) essa colônia consumiu? Massa molecular (M)=110.
H3C - CH = CH - CH = CH - CH2 - CH2 - CH3
5) Na temperatura de 0o C e 1 atm, 32 g de O2(g) ocupam 22,4 litros de
volume. Nessas condições, qual é a resposta do exercício anterior, em litros?
6) Na nascente do rio Jacuí, o teor de oxigênio dissolvido corresponde a
um máximo de 8,8 mg de O 2/L. Já neste mesmo rio, nas proximidades de São
Jerônimo, a cifra chega a 5,5 mg de O2/L. Supondo que o oxigênio, originado na
foz, tenha sido consumido por seres vivos, e formado CO2, para cada litro de
água quanto mg de CO2 será formado?
118
7) A água de um rio possui, na temperatura de 20 oC, 0,778
litros de CO2 por litro de água. Se forem produzidos mais 0,280 litros de CO2
por litro de água, estes se dissolverão totalmente? Justifique.
3.4.2 - Microorganismos na água
Como já vimos, a água pode servir de veículo para várias
doenças. Os agentes patogênicos dessas doenças são, geralmente, os vírus, as
bactérias, os protozoários e os helmintos.
ATIVIDADES
J
1) Quando se realiza uma análise bacteriológica, a amostra deve ser
coletada em um frasco previamente esterilizado. Justifique esse
procedimento.
2) O congelamento mata a maioria das bactérias patogênicas.
Você beberia essa água após o degelo?
A cólera asiática é causada por uma bactéria (Vibrio Cholerae)
que se desenvolve no intestino grosso. No homem, a infestação dessa bactéria
causa infecção intestinal aguda acompanhada de diarréia, vômito, suspensão da
urina e desidratação.
Algumas bactérias, quando sujeitas a condições adversas,
produzem, no interior de sua célula, um esporo. A bactéria nesse estado letárgico
resiste ao calor, falta de alimento, pequenas variações de pH, a ação química de
metais e sais, por um longo período de tempo.
3) Uma das atitudes a ser tomada para evitar a infecção por bactérias é
ferver a água. Explique o por quê.
4) Você acha que basta saber as características bacteriológicas para
saber se a água é potável? Justifique.
3.4.3 - Demanda bioquímica de oxigênio (DBO)
119
Os microorganismos, para sobreviverem na água, necessitam
consumir o oxigênio dissolvido.
Uma das formas de averiguar a existência de microorganismos
em água é através da DBO. O processo é o seguinte:
Utilizam-se duas amostras da água a ser analisada. A primeira
amostra serve para medirmos a quantidade de oxigênio dissolvido na água. A
segunda é levada para uma incubação a + 20ºC. Após um período de tempo,
mede-se a quantidade de oxigênio dissolvido na amostra que foi incubada. Finalmente, comparam-se as análises, subtraindo o primeiro resultado do segundo,
e averigua-se o quanto de oxigênio foi consumido naquele período de tempo.
Acompanhe a Figura 3-9.
Figura 3-9: Determinação da DBO
A Tabela 3-19 indica a percentagem de oxigênio consumido em diferentes períodos de incubação.
Tabela 3-19: Demanda Bioquímica de Oxigênio.
Período de
incubação (dias)
Demanda
satisfeita (%)
Período de
incubação (dias)
120
Demanda
satisfeita (%)
1
2
3
4
5
6
7
21
37
50
60
68
75
80
8
9
10
12
14
16
20
84
87
90
94
96
97
99
Fonte: DMAE
J
ATIVIDADES
1) Faça um gráfico: 'demanda satisfeita' X 'período de incubação'.
Indique porque o consumo de oxigênio não é linear com o tempo.
2) Para averiguar a DBO poderemos deixar o frasco aberto ou,
se fechado, com bolhas de ar dentro? Por quê?
3) A amostra incubada deve permanecer em lugar escuro
durante todo o período de incubação. Justifique essa afirmativa.
3.4.4 - Poluidores tóxicos de origem orgânica
Existe uma variedade muito grande de substâncias tóxicas de
origem orgânica, mas as principais são, sem dúvida, os defensivos agrícolas.
Um pesticida utilizado nas lavouras é o DDT (dicloro difenil
tricloroetano). Produzido industrialmente desde 1939, o DDT foi utilizado na 2ª
Guerra Mundial para evitar epidemias como o tifo e a malária, transmitidas por
piolhos e mosquitos contaminados.
Ao aplicar os pesticidas nas lavouras os agricultores, muitas
vezes, não sabem que as águas das chuvas arrastarão estes pesticidas para os rios
e lagos.
Atualmente o DDT é pouco utilizado. Usam-se outros agentes
similares, pertencentes ao mesmo grupo do DDT - os clorados. A degradação
destes compostos orgânicos é muito difícil, por isso são tão nocivos aos animais.
Os clorados possuem grande poder de fixação em ácidos graxos (gorduras). Hoje,
são considerados responsáveis pela extinção de várias aves como o falcão
121
peregrino, a águia calva e a águia dourada. Essas aves possuíam uma dieta a base
de peixes.
Experiências demonstram que a capacidade reprodutora dos
animais intoxicados fica reduzida grandemente. Acompanhe a Tabela 3-20.
Tabela 3-20: Efeitos da poluição por DDT na águia marinha.
DTT
Média de crias por ano
próximo a 0 ppm
2,5
próximo a 3 ppm
1,1
próximo a 5 ppm
0,5
Digamos que uma águia marinha possua, em média, um e meio
quilogramas de peso. Para que sua capacidade reprodutora seja reduzida a meia
cria por ano, basta que esta possua, em sua constituição, 7,5 mg de DDT.
Outra família de agrotóxicos que causam grande impacto no
meio ambiente são os fosforados. Surgiram em substituição aos clorados e, apesar
de mais tóxicos, possuem um período de degradação bem menor (+ 20 dias).
Ocorre que, por atuarem por um menor período de tempo, os fosforados são
reaplicados com maior constância que os clorados. Esse fator torna-os tão
prejudiciais quanto os clorados.
J
ATIVIDADES
1 ) Quem é o responsável pela degradação dos compostos
orgânicos?
2) Segundo o Ministério da Saúde, a água potável
-6
pode ter no máximo 10 g/L de DDT. Sendo ele cumulativo, uma pessoa que
ingere dois litros de água por dia e pesa 50 Kg terá, num período de 10 anos,
quantos gramas de DDT por Kg? Este teor é maior ou menor que o da águia
marinha que tem em média 0,5 crias/ano?
122
3) Graças aos agrotóxicos a produtividade agrícola aumentou
grandemente. Discuta os benefícios e os malefícios causados pela utilização dos
agrotóxicos.
4) As pragas da lavoura possuem predadores (seres que se
alimentam destas pragas). Pesquise sobre o controle biológico na agricultura.
5) Faça uma dissertação sobre a utilização dos agrotóxicos.
6) Como substância química o DDT é uma molécula estável?
Justifique.
3.4.5 - Poluidores tóxicos de origem inorgânica
Os poluidores de origem inorgânica são altamente tóxicos em
baixas concentrações. Vide Tabela 3-3. Entre esses poluidores o que merece
m a i o r a t e n ç ã o é o m e r c ú r i o . P r o v eniente dos despejos de indústrias
eletroquímicas e de fungicidas esse metal é ainda muito utilizado na mineração
do ouro. Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS) a emissão anual de
mercúrio para o meio ambiente fica na faixa de 25.000 a 150.000 toneladas.
Na água o mercúrio pode se apresentar de três formas
diferentes: Hg 0(mercúrio elementar); Hg 2+ ( í o n m e r c ú r i c o ) e H g 22+ ( í on
mercuroso). O íon mercuroso é muito instável no meio aquático. Assim, as outras
espécies atuam de forma muito mais efetiva.
O mercúrio elementar possui pequena solubilidade em água (60
microgramas/L), além de ser volátil e facilmente oxidado pelo oxigênio
dissolvido em água ou por bactérias anaeróbicas. Essa oxidação leva a formar o
íon mercúrico. A ingestão do mercúrio elementar acarreta baixo risco de
intoxicação. Já não podemos dizer o mesmo do Hg2+. A solubilidade do Hg2+ é
100 vezes maior que a do mercúrio elementar.
O produto mais tóxico formado pelo mercúrio é o dimetil
mercúrio (CH3)2Hg . O processo de sua formação é o que segue: o mercúrio
elementar sofre a ação de bactérias anaeróbicas e é oxidado a íon mercúrico. Esse
íon, durante o processo , sofre metilação, ou seja, liga-se com dois radicais
metila. O produto entra facilmente na cadeia alimentar dos seres vivos. No
homem ele se estabelece no cérebro e os sintomas de sua intoxicação ocorrem
123
após a concentração de 5 partes por milhão (ppm). Quando a concentração atinge
12 ppm a intoxicação é letal (observe a Tabela 3-3).
J
ATIVIDADES
1) A metilação do mercúrio ocorre, geralmente, nos sedimentos
onde se encontram poucos íons mercúrico, ou seja, a reação de
metilação, nesse local, é muito favorecida. Isso é bom ou ruim para o
homem?
2) Um dos principais problemas, quanto à poluição por
efluentes, verificados no norte do Brasil, é o mercúrio. Ele é utilizado na
mineração do ouro. O processo de pré-purificação do ouro é feito com uso do
mercúrio (amalgamação) formando uma pasta. Essa pasta após aquecida
volatiliza o mercúrio. Compare a massa molecular do gás mercúrio (Hg2) com a
massa molecular do gás nitrogênio (N2). Sobre qual dos dois atuará de melhor
forma a força gravitacional? O mercúrio possuirá maior concentração no ar ou
na água?
3) Pesquise sobre amalgamação.
4) Em Goiás, no rio Madeira, foram encontrados teores de até
26 ppm de mercúrio nos sedimentos. Se apenas 1% desse mercúrio der origem ao
radical metil mercúrico (CH3Hg+ ), quantos gramas desse produto teremos por
quilograma de sedimento? Se esse metil mercúrico se solubilizar em água ao nível de 80%, qual a concentração em g/L de metil mercúrico em água?
3.4.6 - Água poluída: tratamento obrigatório
Procurar consumir água despoluída não parece ser um
privilégio do homem moderno. Estudos arqueológicos demonstram que o homem
pré-histórico já se utilizava das águas das chuvas e das nascentes de rios para
saciar sua sede - talvez por ser mais agradável do que saudável.
A utilização das águas subterrâneas perde-se no tempo
histórico: foi desta reserva que gregos, egípcios, assírios, persas e indianos,
muitas vezes, saciaram sua sede. Já no segundo milênio antes de Cristo os
124
humanos começaram a se utilizar de reservatórios de água, construindo represas e
aquedutos para irrigação.
Com o aumento da população das cidades, a água começa a
sofrer um processo lento de poluição. No século III a.C., Constantino construiu
em Roma 247 reservatórios de água, 11 termas, 926 banheiros públicos e 1212
chafarizes. Nesse período, observa-se uma preocupação com a higiene e poluição
da água, pois a cultura adquirida já demonstrava que consumir água poluída
poderia ser fatal.
Na Europa da idade média, ocorreu uma estagnação do conhecimento científico. Um dos fatores foi a dominação da Igreja, que o achava
prejudicial, principalmente por ameaçar seu poder. Com isso as grandes cidades
desse período não tiveram seu crescimento acompanhado do crescimento
científico. A água era consumida sem tratamento adequado e constituía, muitas
vezes, um perigo mortal. Nesse período era comum pessoas padecerem de males
causados pelo consumo de água contaminada.
Na Europa, só a partir da segunda metade do século XVIII que
a higiene da água começa a ser levada a sério, com a exceção de serviços públicos
de tratamento e abastecimento.
Atualmente, praticamente toda a população européia consome
água tratada. No Brasil, a preocupação é levar essa água a toda a população,
principalmente, nas regiões norte e nordeste. Por isso, devemos ter em mente que
consumir água potável não é luxo e sim direito do cidadão.
3.4.7 - O tratamento da água: uma necessidade
Em Porto Alegre, o tratamento de água, bem como seu controle,
é realizado pelo Departamento Municipal de Água e Esgoto (DMAE). Essa
instituição utiliza o clássico tratamento que se desenvolve com a utilização do
sulfato de alumínio - Al2(SO4)3 e do hipoclorito de sódio - NaClO.
O sulfato de alumínio é adicionado à água bruta (água não
tratada) com o objetivo de provocar uma floculação de matéria orgânica e
inorgânica que se encontra em suspensão. Posteriormente, a gravidade faz com
que essa massa floculada decante, deixando a água com aparência límpida.
Já sabemos que transparência não quer dizer pureza. A água,
após sofrer o processo de coagulação (floculação) e sedimentação (decantação),
125
pode conter microorganismos. Por esta razão, adiciona-se hipoclorito de sódio,
que atua como agente desinfetante.
A Figura 3-10 demonstra o funcionamento de uma Estação de
Tratamento de Água (ETA).
Figura 3-10: Esquema de uma Estação de Tratamento de Água.
ATIVIDADES
J
1 ) Qual é o significado da seguinte frase do texto: "...matéria
orgânica e inorgânica que se encontra em suspensão na água"?
2) Ao adicionar o sulfato de alumínio, quais as substâncias que serão eliminadas? Os agrotóxicos também serão eliminados?
3) Após a floculação ocorre a precipitação. Explique o processo.
4 ) Coloque em ordem os seguintes processos: desinfecção,
filtração, coagulação, sedimentação e explique cada um.
5) Observe a Figura 3-10 e responda:
a) Após sedimentar parte da matéria suspensa, porque se
realiza, posteriormente, a filtração?
b) Para que serve a cloração?
126
3.4.7.1 - Tratamento da água: um experimento
I
Material
- 2 garrafas de água mineral vazias (PVC)
- areia grossa, média e fina
- cascalhos pequenos
- sulfato de alumínio
- uma bacia
- um copo
Construção do equipamento
1-Cortar a parte superior das duas garrafas.
2-Lavar bem as areias e os cascalhos.
3-Perfurar o fundo de uma das garrafas (furinhos pequenos -
apenas alguns).
4-Na garrafa perfurada colocar, primeiramente, os cascalhos;
após, a areia grossa, a média e a fina, nesta ordem.
5-Colocar a garrafa com os cascalhos dentro da bacia.
Procedimento
1-Encher a garrafa sem os furinhos de água e adicionar terra,
mexendo até que a água fique marrom.
2-Colocar um pouco dessa água num copo e adicionar um pouco
de sulfato de alumínio na garrafa.
3-Esperar até que ocorra a floculação.
4-Verter a água na garrafa com areia.
J
ATIVIDADES (Relacionadas com o experimento)
1) Qual a aparência da água após passar pela areia e o cascalho?
2) Compare a água do copo com a água que saiu na
bacia. Qual é a principal diferença?
3) Ao adicionar sulfato de alumínio na água o que ocorreu?
127
4) Essa experiência demonstra um processo básico do
tratamento de águas. Poderíamos consumir uma água que passe somente por
esse processo? Justifique.
5) Equacione a hidrólise do sulfato de alumínio.
a) Quais os produtos formados no equilíbrio?
b) Ocorrerá alteração do pH da solução após a adição do
sulfato de alumínio? Justifique.
3.4.8 - Cloro residual em águas tratadas
Descoberto em 1764 e denominado "ar marinho", o gás cloro, é,
atualmente, muito utilizado por seu grande poder oxidante.
Esse gás, por ser muito reativo, não é encontrado livre na
natureza. Foi largamente utilizado nas 1ªe 2ª guerras mundiais aniquilando suas
vítimas por asfixia. Possui coloração amarelo-esverdeada e cheiro irritante.
No tratamento das águas esse gás é utilizado como agente
bactericida. Comercialmente ele é usado como desinfetante, podendo ser
substituído pela água oxigenada.
Como ocorre a desinfecção da água? Uma das teorias que
explica a ação do cloro em microorganismos indica que ele reage com proteínas e
grupos amino (-NH2) das células bacterianas. Essa reação altera as características
químicas de proteínas que deixam de desempenhar sua função. Isso desestrutura
o microorganismo e o leva à morte.
Na estação de tratamento o cloro é adicionado na forma de um
sal (NaClO) que, ao sofrer hidrólise em água, produz o gás cloro. Veja as
reações:
2 NaClO ⇔ ### Cl2(g) +
1/2 O2 + Na2O
Na2O + H2O ⇔### 2 NaOH(aq) ⇔### Na+(aq) + OH-(aq)
Cl2
+
H2O ⇔### HClO +
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H+
+ Cl-
HClO ⇔### H+ + ClO-
J
ATIVIDADES
1) Justifique a utilização de hipoclorito de sódio para tratamento de
água.
2) Soluções saturadas de cloro são muito utilizadas como
alvejantes e desinfetantes. Explique por quê.
3) Existe a possibilidade da água contaminar-se no trajeto
hidráulica-residência. Qual o processo que evitaria essa contaminação?
4) O ozônio é um gás oxidante utilizado em muitos países como
substituto do cloro. O cloro possui maior solubilidade em água que o ozônio.
Justifique por que é vantajoso utilizar o cloro e não o ozônio.
3.5 - Conclusões
A elaboração do Capítulo 3 deste trabalho, que faz um apanhado geral
sobre o tratamento da água, busca apresentar uma alternativa na abordagem de
alguns assuntos que dizem respeito a Química. Ele possui três objetivos básicos:
♦ apresentar os conteúdos de uma forma clara e multidisciplinar;
♦ caracterizar um enfoque novo para a abordagem de assuntos
relacionados a química;
♦ motivar alunos e professores a estruturar um conhecimento aplicativo
a suas realidades.
Além destes objetivos, este trabalho procura mostrar como se obtém água
tratada e qual sua importância, ou seja, apresenta um tema cotidiano e relacionao com conteúdos de química. A partir deste trabalho é possível abordar vários
conteúdos como soluções aquosas, substâncias puras, toxidade de compostos
químicos, cálculos estequiométricos, solubilidade de sais em água, potencial de
hidrogênio, hidrólise, dissociação, dureza de água, etc.
É fundamental para nosso trabalho que os professores que o utilizarem
nos informem sua impressão, enviando-nos suas críticas e suas sugestões.
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